DE202015009558U1

DE202015009558U1 - Verbesserter Signallaufzeit-Durchflussmesser

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Publication number: DE202015009558U1
Application number: DE202015009558.5U
Authority: DE
Original assignee: GWF MessSysteme AG
Current assignee: GWF MessSysteme AG
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2025-07-30
Also published as: AU2015294885B2; SG11201609000YA; BR112017001145A2; BR112017001145B1; DK3273206T3; MX2017001126A; UA122209C2; PL3175205T3; DK202000051Y3; CN112098676A; RU2657343C2; CL2017000181A1; US9903882B2; ES2792857T3; EP3175205A1; RU2016145626A3; AU2020233686B2; US20170227568A1; SA517380780B1; CN107003332A

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend- einen ersten Anschluss für ein erstes Ultraschallelement,- einen zweiten Anschluss für ein zweites Ultraschallelement,- eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss,- eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss,- eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten,- eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal und Speichern des Messsignals.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Durchflussmesser und insbesondere Ultraschall-Laufzeit-Durchflussmesser.
Derzeit werden verschiedene Arten von Durchflussmessern verwendet, um einen Volumenstrom eines Fluids, wie z. B. einer Flüssigkeit oder eines Gases, durch ein Rohr zu messen. Ultraschall-Durchflussmesser sind entweder Doppler-Durchflussmesser, die den akustischen Doppler-Effekt nutzen, oder Laufzeit-Durchflussmesser, die manchmal auch als Transmissions-Durchflussmesser bezeichnet werden, die einen Laufzeitunterschied nutzen, der durch die relative Bewegung von Quelle und Medium verursacht wird. Die Laufzeit wird auch als Flugzeit (time of flight) oder Durchgangszeit (transit time) bezeichnet.
Ein Ultraschall-Laufzeit-Durchflussmesser wertet den Laufzeitunterschied von Ultraschallpulsen aus, die sich in und gegen die Strömungsrichtung ausbreiten. Ultraschall-Durchflussmesser werden als Leitungs-Durchflussmesser, auch als invasive oder benetzte Durchflussmesser bezeichnet, oder als Anklemm-Durchflussmesser, auch als nicht-invasive Durchflussmesser bekannt, bereitgestellt. Andere Formen von Durchflussmessern beinhalten Venturi-Kanäle, Überlaufschwellen, Radar-Durchflussmesser, Coriolis-Durchflussmesser, Differenzdruck-Durchflussmesser, magnetisch-induktive Durchflussmesser und andere Arten von Durchflussmessern.
Wenn unregelmäßige Strömungsprofile oder offene Kanäle vorhanden sind, kann mehr als ein Ausbreitungsweg erforderlich sein, um die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Unter anderem werden Mehrwege-Verfahren in Hydrometrie-Standards wie IEC 41 oder EN ISO 6416 beschrieben. Als eine weitere Anwendung werden Ultraschall-Durchflussmesser auch zur Messung von Strömungsprofilen eingesetzt, zum Beispiel mit einem Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser (acoustic Doppler current profiler, ADCP). Der ADCP eignet sich auch zur Messung von Wassergeschwindigkeit und -abfluss in Flüssen und offenen Gewässern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Beschreibung, einen verbesserten Laufzeit-Durchflussmesser zum Messen einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit oder eines Strömungsprofils eines Fluids im Allgemeinen und insbesondere für Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder für Gase bereitzustellen.
In einer Strömungsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung werden Schallwandler, z.B. in Form von piezoelektrischen Elementen, auch als piezoelektrische Wandler bekannt, verwendet, um ein Testsignal und ein Messsignal zu erzeugen und zu empfangen.
Alternative Schallsender weisen Laser, die eine Metallmembran zu Schwingungen anregen, oder einfache Lautsprecher auf. Man kann Druckwellen auch auf andere Weise erzeugen. Die Empfängerseite kann auch durch andere Mittel dargestellt werden, die sich von piezoelektrischen Wandlern unterscheiden, aber Ultraschallwellen erfassen.
Obwohl der Begriff „piezoelektrischer Wandler“ in der vorliegenden Beschreibung häufig verwendet wird, steht er auch für andere Schallwellenwandler, die Ultraschallwellen erzeugen oder erfassen.
Ein Messsignal gemäß der vorliegenden Beschreibung kann durch ein angepasstes Filter modelliert werden. Falls ein Impuls mit scharf ausgebildetem Maximum als ein Sonden- oder Testsignal verwendet wird, ist das empfangene Signal an dem Wandler die Impulsantwort einer Leitung oder eines Kanals des Fluids. Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird eine Zeit-invertierte Version der Impulsantwort durch den gleichen Kanal wie ein Messsignal entweder in der umgekehrten Richtung oder in der gleichen Richtung zurückgesendet. Dies ergibt ein Signal mit einem Maximum an dem Ursprung, an dem sich die ursprüngliche Quelle befand, oder ein Signal mit einem Maximum am ursprünglichen Empfänger.
Die Zeit-Inversion kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Falls analoge Mittel zum Aufzeichnen des Antwortsignals verwendet werden, könnte man das aufgezeichnete Antwortsignal in einem Rückwärtsmodus abspielen. Falls digitale Mittel zum Aufzeichnen von Abtastwerten des Antwortsignals verwendet werden, wird die Reihenfolge der aufgezeichneten Abtastwerte umgekehrt, um das invertierte Signal zu erhalten. Dies kann erreicht werden, indem die Werte der Zeitstempel jedes aufgezeichneten Abtastwertes invertiert werden, indem der jeweilige Zeitwert mit (-1) multipliziert wird. Falls die aufgezeichneten Abtastwerte gemäß einer aufsteigenden Reihenfolge der Zeitstempelwerte wiedergegeben werden, werden sie in umgekehrter Reihenfolge abgespielt. Mit anderen Worten ist das invertierte Antwortsignal das aufgezeichnete Antwortsignal, jedoch rückwärts abgespielt.
Ein Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung liefert eine Fokussiereigenschaft unter Verwendung des oben erwähnten invertierten Signals oder eines ähnlich geformten Signals für einen Ultraschall-Durchflussmesser, um ein Antwortsignal zu bilden, das sowohl räumlich als auch zeitlich konzentriert ist. Dies führt wiederum zu einer höheren Amplitude an einem empfangenden piezoelektrischen Element und zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis.
Mit einem Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung kann eine Fokussierung unter sehr allgemeinen Bedingungen erhalten werden. Beispielsweise wird eine Fokussiereigenschaft auch dann erhalten, wenn nur ein Ultraschallsender erregt wird und auch wenn das invertierte Signal auf ein Signal reduziert ist, das im Amplitudenbereich lediglich grob digitalisiert ist, falls die zeitliche Auflösung des invertierten Signals ausreichend ist. Ferner kann ein Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung mit Anklemmwandlern verwendet werden, die einfach an einem Rohr anzuordnen sind und keine Änderungen des Rohrs erfordern.
In einem Durchflussmessverfahren gemäß der vorliegenden Beschreibung kann eine Bitauflösung in Bezug auf eine Amplitude des Messsignals angepasst werden. Insbesondere kann die Bitauflösung angepasst werden, um eine hohe Amplitude eines Antwortsignals zu erhalten.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Bitauflösung erhöht, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das Messsignal zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird die Bitauflösung in vorbestimmten Schritten erhöht, die Bitauflösung, die das Antwortsignal mit der höchsten Amplitude erzeugt, wird ausgewählt und eine entsprechende Darstellung eines Messsignals wird in einem Computerspeicher gespeichert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Bitauflösung verringert, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das Messsignal zu erhöhen. In einer Ausführungsform wird die Bitauflösung in vorbestimmten Schritten verringert, die Bitauflösung, die das Antwortsignal mit der höchsten Amplitude erzeugt, wird ausgewählt und eine entsprechende Darstellung eines Messsignals wird in einem Computerspeicher gespeichert.
Insbesondere kann die Bitauflösung eine niedrige Bitauflösung sein, wie z. B. eine Auflösung, die in einer Ziffer oder in zwei Ziffern, insbesondere in einer oder zwei Binärziffern, gespeichert ist. Gemäß anderen Ausführungsformen weist die niedrige Bitauflösung mindestens eine 1-Bit-Auflösung und höchstens eine 64-Bit-Auflösung auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das erste Antwortsignal zum Bestimmen oder Ableiten einer Änderung in der Wandstärke der Leitung oder zum Bestimmen oder Ableiten von Materialeigenschaften der Leitungswand durch Bestimmen von longitudinalen und transversalen Schallwellencharakteristiken verarbeitet. Beispielsweise können die Transversal- und Longitudinalwellencharakteristika von entsprechenden Abschnitten des Empfangs- oder Antwortsignals abgeleitet werden, die unterschiedlichen Ankunftszeiten der Schallwellen entsprechen.
Gemäß dieser Ausführungsform wird das gleiche Antwortsignal für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und für die Erfassung der oben genannten Eigenschaften verwendet. Dadurch ist es nicht länger notwendig, ein separates Signal oder eine separate Anordnung zu verwenden, um Effekte wie Kontaminationen und Materialfehler zu erkennen, obgleich ein separates Signal oder eine separate Anordnung verwendet werden kann. Darüber hinaus können die abgeleiteten Kanaleigenschaften verwendet werden, um eine genauere Abschätzung der Strömungsgeschwindigkeit zu erhalten.
In einem Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung können technische Merkmale, die eine gute Kopplung und Ausrichtung von Anklemmwandlern gewährleisten und die Streuung verringern, nicht erforderlich sein oder können im Gegenteil sogar die Fokussierung verbessern. Um eine erhöhte Streuung bereitzustellen, kann ein Kopplungsmaterial ausgewählt werden, das an einen Brechungsindex der Flüssigkeit angepasst ist, oder Wandler und Wandlerkopplungen können verwendet werden, die mehr Scherwellen bereitstellen.
Vorzugsweise liegt die Frequenz von Schallwellen, die in einem Durchflussmesser gemäß der Beschreibung verwendet werden, zwischen > 20 kHz und 2 MHz, was einer Schwingungsdauer von 0,5 Mikrosekunden (ps) entspricht, sie kann aber sogar 800 MHz betragen. In vielen Fällen arbeiten Ultraschall-Durchflussmesser weit über der Hörschwelle mit Frequenzen von mehreren hundert kHz oder höher. Die Frequenz von Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessern liegt typischerweise im kHz- oder im MHz-Bereich.
Gemäß einem Aspekt offenbart die vorliegende Beschreibung ein computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung oder einem Fluidkanal unter Verwendung eines Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessers. Insbesondere kann das Verfahren für ein Rohr oder eine Röhre verwendet werden, aber auch für Anwendungen mit offenem Kanal, wie Anwendungen für Entwässerungs- oder Bewässerungskanäle. In einer bevorzugten Ausführungsform bezieht sich „computerimplementiert“ auf eine Ausführung auf kleinen elektronischen Komponenten wie Mikroprozessoren, ASICs, FPGAs und dergleichen, die in tragbaren oder kompakten stationären digitalen Signalverarbeitungsgeräten verwendet werden können, die im Allgemeinen kleiner sind als Workstations oder Mainframe-Computer und die an einer erforderlichen Stelle entlang einer Fluidleitung platziert werden können.
Im Folgenden werden die Begriffe „Kanal“, „Leitung“, „Durchgang“, „Rohr“ usw. als Synonyme verwendet. Der Gegenstand der Anmeldung kann auf alle Arten von Leitungen für Fluide angewendet werden, unabhängig von ihrer jeweiligen Form und unabhängig davon, ob sie offen oder geschlossen oder vollständig gefüllt oder teilweise gefüllt sind. Der Gegenstand der Anmeldung kann auch auf alle Arten von Fluiden oder Gasen angewendet werden, seien es Gase oder Flüssigkeiten oder eine Mischung aus beidem.
Während einer Messsignalerzeugungsphase wird die Fluidleitung mit einem Fluid mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung bereitgestellt, insbesondere mit einem Fluid, das in Bezug auf die Fluidleitung im Wesentlichen ruhend ist. Das Messsignal wird aus einem Antwortsignal erzeugt, das der Übertragungskanal als Antwort auf ein anfänglich angelegtes Impulssignal erzeugt.
Ein Impulssignal wird an einen ersten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler, angelegt, wobei sich ein Impulssignal auf ein Signal bezieht, das eine Signalenergie besitzt, die insbesondere über einen kurzen Zeitraum konzentriert ist. In einer speziellen Ausführungsform erstreckt sich das Impulssignal über lediglich ein paar Schwingungsperioden eines Trägers, wie beispielsweise 10 bis 20 Schwingungsperioden oder weniger. Insbesondere kann eine Einhüllende des Impulssignals eine rechteckige Form besitzen, jedoch sind auch andere Formen möglich. Beispielsweise kann das Impulssignal einem einmaligen Maximum oder einem einzelnen Impuls, einem kurzen rechteckigen Burst oder einer anderen Signalform entsprechen, wie einer Sägezahnform, einer Rechteckwelle, einem Chirp, einer Sinuswelle oder einem vorbestimmter Rauschimpuls, wie einem weißen Rauschen oder einem rosa Rauschen, das auch als 1/f-Rauschen bekannt ist. Das Verfahren funktioniert mit nahezu jeder Signalform des Impulssignals.
Die Signalerzeugungsphase muss nicht für jede Messung wiederholt werden. Beispielsweise kann sie vor einer ersten Messung und zu späteren Zeiten durchgeführt werden, wenn sich die Bedingungen in der Fluidleitung ändern, zum Beispiel aufgrund von Sedimenten, Korrosionen und thermischer Belastung.
Manchmal wird der Begriff „Kalibrierungsphase“ verwendet, wenn auf die Messsignalerzeugungsphase Bezug genommen wird. Das ist nicht ganz korrekt. Für Durchflussmesser ist es typisch, dass der Durchflussmesser an einem Kalibrierstand platziert wird, an dem die Messwerte und die Zielwerte für Durchflussraten verglichen werden. Der Kopplungsfaktor zwischen diesen beiden Werten wird als Kalibrierungsfaktor bezeichnet und beinhaltet Hardware- und Softwarefehler der Durchflussmessung, die nicht spezifiziert werden können. Für den Gegenstand der Anmeldung ist es angebrachter, zwischen der Messsignalerzeugungsphase und der Kalibrierungsphase zu unterscheiden. Die Messsignalerzeugungsphase stellt ein Messsignal bereit, das - wenn es verwendet wird - ein relativ scharf ausgebildetes Maximum in dem Antwortsignal auf das Messsignal liefert, während die Kalibrierungsphase einen Durchflussmesser bereitstellt, der eine präzise Durchflussratenmessung bereitstellt.
Die folgenden Schritte des Verfahrens gemäß der Beschreibung:

- Bereitstellen eines Impulssignals an einen ersten Ultraschallwandler, wobei sich der erste Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer ersten Stelle befindet,
- Bereitstellen eines Antwortsignals des Impulssignals an einem zweiten Ultraschallwandler, wobei sich der zweite Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle befindet,
- Ableiten eines Messsignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Messsignals ein Auswählen eines Signalabschnitts des Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts umfasst, können durch Anlegen und Messen realer Ist-Signale an eine reale Leitung bereitgestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Schritte des Bereitstellens eines Antwortsignals des Impulssignals an einem zweiten Ultraschallwandler und des Ableitens eines Messsignals durch eine numerische oder analoge Simulation erhalten werden können, sobald das Impulssignal als ein digitales oder analoges Signal bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck kann Finite-Elemente-Software verwendet werden.

Die piezoelektrischen Wandler befinden sich an der Fluidleitung. Insbesondere können sie jeweils an der Fluidleitung angeordnet sein. Der erste piezoelektrische Wandler ist an einem Umfang der Fluidleitung an einer ersten Stelle angebracht. In einer besonderen Ausführungsform ist er auf dem Umfang der Fluidleitung angeklemmt. Ein Antwortsignal des Impulssignals wird an einem zweiten piezoelektrischen Wandler empfangen.
Der zweite Ultraschallwandler, beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, ist an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle angebracht, die entlang einer Längsrichtung der Fluidleitung in Bezug auf die erste Stelle und entlang eines Querschnitts, der durch den Mittelpunkt der Leitungsachse verläuft, versetzt ist, wobei die Längsrichtung einer Richtung einer mittleren Strömung durch den Kanal entspricht. Die Fluidleitung kann vollständig mit dem Fluid gefüllt sein, falls Reflexionen an der Fluidoberfläche und andere Effekte nicht erwünscht sind.
Ein Messsignal wird aus dem Antwortsignal, das eine Antwort des Übertragungskanals auf ein anfängliches Impulssignal ist, mit analogen Mitteln oder auch digital abgeleitet. Das Ableiten des Messsignals umfasst ein Auswählen eines Signalabschnitts des Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts und es kann den Schritt eines Speicherns des Messsignals umfassen, z.B. in seiner digitalisierten Form in einem computerlesbaren Speicher zur späteren Verwendung. Dabei sind unterschiedliche Abfolgen der Verfahrensschritte möglich. Zum Beispiel kann das Signal nach der Speicherung Zeitinvertiert werden.
Während einer Messphase, in der sich das Fluid in Bezug auf die Fluidleitung in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen wie Druck, Schwerkraft, Neigung des Rohres usw. bewegt, wird das Messsignal an einen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers, wie beispielsweise piezoelektrische Wandler, angelegt. Insbesondere kann ein elektrisches Signal, das von einem gespeicherten Messsignal abgeleitet werden kann, an den Wandler angelegt werden.
Ein erstes Antwortsignal des Messsignals wird an dem anderen Ultraschallwandler, beispielsweise piezoelektrischen Wandler, gemessen, wobei eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids von zumindest dem ersten Antwortsignal abgeleitet wird. Insbesondere umfasst dies ein Messen einer stromabwärtigen oder stromaufwärtigen Laufzeit. Eine Schätzung der Geschwindigkeit kann erhalten werden, indem die gemessene Laufzeit mit einer Laufzeit unter Kalibrierung verglichen wird, wobei die Schallgeschwindigkeit unter den gegenwärtigen Bedingungen berücksichtigt wird, zum Beispiel durch Messen einer Temperatur des Fluids. In weiteren Schritten kann ein Volumenstrom oder ein Massenstrom aus der Strömungsgeschwindigkeit oder aus einem Strömungsgeschwindigkeitsprofil abgeleitet werden.
Um eine genauere Schätzung zu erhalten, können Messungen in beiden Richtungen durchgeführt werden, von dem ersten zu dem zweiten Ultraschallwandler, wie zum Beispiel einem piezoelektrischen Wandler, und in umgekehrter Richtung. Insbesondere ermöglicht dies, die Schallgeschwindigkeit bei einer Laufzeitmessung zu eliminieren, oder es kann eine zuverlässige Schätzung der aktuellen Schallgeschwindigkeit liefern.
Eine Durchflussmessung gemäß der vorliegenden Beschreibung kann bei Anordnungen mit lediglich zwei Wandlern und auch bei Mehrfachwandleranordnungen verwendet werden, wie z.B. den Anordnungen der 43 und 44 oder der Anordnung der 4 und 5. Insbesondere kann die Durchflussmessung durch ein Paar von Wandlern einer Mehrfachwandleranordnung erhalten werden, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Das Paar von Wandlern kann in einer Ebene durch eine Mittelachse der Leitung angeordnet sein, wie in 43 gezeigt, oder sie können in einer Ebene angeordnet sein, die in Bezug auf die Mittelachse der Leitung versetzt ist, wie in 44 gezeigt. Die Anordnung von 44 kann verwendet werden, um die Fluidgeschwindigkeit in einer Fluidschicht in einem vorbestimmten Abstand zu der Mittelachse zu bestimmen.
Dementsprechend werden die Schritte des Anlegens des Messsignals und des Messens des Antwortsignals in der umgekehrten Richtung wiederholt. Mit anderen Worten wird der bisherige Empfänger als Sender verwendet und der bisherige Sender wird als Empfänger verwendet und ein Signal von dem jeweils anderen Ultraschallwandler, beispielsweise piezoelektrischen Wandler, an den jeweils ersten der beiden Wandler gesendet, um ein zweites Antwortsignal zu erhalten. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird aus dem ersten Antwortsignal und dem zweiten Antwortsignal abgeleitet. Insbesondere umfasst die Ableitung ein Ableiten einer stromabwärtigen und einer stromaufwärtigen Laufzeit.
Obwohl man ein Messsignal von einem Ultraschallwandler, wie einem piezoelektrischen Wandler, zu einem anderen Ultraschallwandler, wie einem piezoelektrischen Wandler, senden kann, ist es auch vorteilhaft, diesen Vorgang vorwärts und rückwärts auszuführen, wenn eine Geschwindigkeits- oder Durchflussmessung durchgeführt wird.
Mit anderen Worten kann das Verfahren auf die folgende Weise ausgeführt werden.
Vorwärtsrichtung:

- Senden eines Impulssignals von einem ersten Ultraschallwandler an einen zweiten Ultraschallwandler,
- Empfangen eines Antwortsignals des Impulssignals an dem zweiten Ultraschallwandler,
- Zeit-Invertieren des empfangenen Antwortsignals an dem zweiten Ultraschallwandler, wodurch ein Messsignal erhalten wird,
- Senden des Messsignals von dem ersten Ultraschallwandler zu dem zweiten Ultraschallwandler,
- Empfangen eines Antwortsignals des Messsignals an dem zweiten Ultraschallwandler.

Rückwärtsrichtung:

- Senden eines Impulssignals von dem zweiten Ultraschallwandler an den ersten Ultraschallwandler, beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler,
- Empfangen eines Antwortsignals des Impulssignals an dem ersten Ultraschallwandler,
- Zeit-Invertieren des empfangenen Antwortsignals des Impulssignals von dem ersten Ultraschallwandler, wodurch ein Messsignal erhalten wird,
- Senden des Messsignals von dem zweiten Ultraschallwandler zu dem ersten Ultraschallwandler,
- Empfangen eines Antwortsignals auf das Messsignal an dem ersten Ultraschallwandler,
- Messen der Zeitdifferenz zwischen den empfangenen Antwortsignalen an dem zweiten Ultraschallwandler und dem ersten Ultraschallwandler. Diese Zeitdifferenz ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit zwischen den beiden Ultraschallwandlern, beispielsweise piezoelektrischen Wandlern.

Bitte beachten Sie, dass sich das Messsignal für die Vorwärtsrichtung von dem Messsignal für die Rückwärtsrichtung unterscheiden kann. Das Messsignal besitzt üblicherweise für jede Ausbreitungsrichtung eine besondere Form, obwohl für einfache Konfigurationen identische Messsignale verwendet werden können.
In der gesamten Anmeldung wird häufig der Begriff „Computer“ verwendet. Obwohl ein Computer Geräte wie einen Laptop oder einen Desktop-Computer umfasst, kann die Signalübertragung und der Signalempfang auch von Mikrocontrollern, ACIDs, FPGAs usw. durchgeführt werden.
Weiterhin kann eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Wandlern geometrisch in Bezug auf ein Zentrum der Fluidleitung versetzt sein, um eine Strömungsgeschwindigkeit in einer vorbestimmten Schicht zu erhalten und es kann mehr als ein Paar von Wandlern geben. Des Weiteren kann das Messsignal von mehr als einem Wandler bereitgestellt werden und/oder das Antwortsignal auf das Messsignal kann von mehr als einem Wandler gemessen werden.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform wird ein durchschnittliches Messsignal durch eine lineare Überlagerung der Antwortsignale von der Vielzahl der Empfangswandler erzeugt und die oben erwähnten Signalverarbeitungsschritte werden an dem durchschnittlichen Antwortsignal durchgeführt, um ein Messsignal zu erhalten.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform gibt es eine gleiche Anzahl, angenommen N, von Sende- und Empfangswandlern, wobei die relativen Anordnungen der Sendewandler gleich den relativen Anordnungen der Empfangswandler sind. Die N empfangenen Antwortsignale werden dann einzeln gemäß den oben erwähnten Signalverarbeitungsschritten verarbeitet, um N einzelne Messsignale zu erhalten.
Diese N Wandler sind typischerweise z.B. als Anklemmwandler, Einsetzwandler oder intern befestigte Wandler angeordnet. Als Beispiel zeigt 43 eine Anordnung mit 8 Anklemmwandlern und 44 zeigt eine Anordnung mit 8 Einsetzwandlern. Die 8 Wandler von 43 sind in vier jeweiligen Ebenen angeordnet, die durch die Achsmitte der Leitung gehen.
Die 8 Einsetzwandler von 44 sind in vier parallelen Ebenen angeordnet.
Die Verbindungslinien zwischen den Wandlern zeigen einen Betriebsmodus der Wandler. In dem Betriebsmodus von 43 werden Signale von einem ersten Wandler zu einem zweiten Wandler gesendet, der bezüglich eines Mittelpunkts auf der Mittelachse des Wasserkanals dem ersten Wandler gegenüberliegt.
In dem Betriebsmodus von 44 werden Signale von einem ersten Wandler zu einem zweiten Wandler in Bezug auf einen Mittelpunkt gesendet, der sich in der Mitte der jeweiligen rechteckigen Anordnung und in einer der vier parallelen Ebenen befindet.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Signalabschnitt des Antwortsignals, der zum Herleiten des Messsignals verwendet wird, einen ersten Abschnitt um eine maximale Amplitude des Antwortsignals und einen hinteren Signalabschnitt auf, wobei sich der hintere Signalabschnitt zeitlich hinter der Ankunftszeit der maximalen Amplitude erstreckt. Der hintere Abschnitt liefert Signale von weiteren Reflexionen abgesehen von den Signalen in der Nähe des direkten Signals und kann zu einer besseren Fokussierung beitragen.
Um ein verbessertes erzeugtes Messsignal zu erhalten, können die Schritte des Anlegens eines Impulssignals und des Empfangens eines zugehörigen Antwortsignals nicht nur einmal durchgeführt werden, sondern sie können mehrfach, mindestens zweimal, wiederholt werden. Dadurch werden mehrere Antwortsignale erhalten. Ein Messsignal wird dann aus einem Durchschnitt der empfangenen Antwortsignale abgeleitet.
In einer Ausführungsform werden die Messungen mehrfach wiederholt, wobei sich das Ultraschallsignal jedoch nur in einer Richtung ausbreitet. In einer anderen Ausführungsform werden die Messungen mehrfach wiederholt, wobei sich das Ultraschallsignal in beiden Richtungen ausbreitet. In noch einer anderen Ausführungsform werden die Messungen mehrfach in beiden Richtungen wiederholt und gesonderte Durchschnitte werden für beide Richtungen abgeleitet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ableiten eines Messsignals von einem oder mehreren empfangenen Antwortsignalen ein Bestimmen einer Hüllkurve des Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals. Ein amplitudenmoduliertes Schwingungssignal wird bereitgestellt, das gemäß der Hüllkurve amplitudenmoduliert ist. Die Verwendung einer Hüllkurve anstelle von Samples oder zusätzlich dazu kann Vorteile in Bezug auf Speicherplatz und Berechnungsgeschwindigkeit bieten.
Insbesondere kann die Modulationsamplitude die Form der ermittelten Hüllkurve für das Messsignal oder für einen Teil davon aufweisen. Eine Oszillationsfrequenz einer Trägeroszillation beträgt mindestens 20 kHz. Gemäß weiteren Ausführungsformen beträgt die Frequenz mindestens 100 kHz, mindestens 500 kHz oder mindestens 1 MHz. Die Wahl der Frequenz beeinflusst den Streuprozess und eine höhere Frequenz kann eine feinkörnigere Abtastung einer Leitungswand liefern, was wiederum eine präzisere Formung des Ultraschallsignals ermöglichen kann.
Gemäß weiteren Ausführungsformen wird das Antwortsignal oder ein davon abgeleitetes Signal in Bezug auf die Amplitude und insbesondere mit einer Auflösung zwischen 1 und 8 Bit digitalisiert. Die vorliegende Beschreibung zeigt, dass sogar eine grobe Digitalisierung bezüglich der Amplitude zu einer ausreichenden Fokussierung des Ultraschallsignals führen kann. Die Verwendung einer niedrigen Auflösung spart Rechenzeit und Speicherplatz, während höhere Auflösungen nicht notwendigerweise ein genaueres Messergebnis der Fluiddurchflussrate durch die Leitung ergeben. Es hat sich auch herausgestellt, dass eine Erhöhung oder Verringerung der Auflösung des Antwortsignals oder des Messsignals dazu beitragen kann, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Genauigkeit der Zeitmessung zu verbessern. Die Verringerung der Auflösung führt zu einem schärferen oder charakteristischerem Maximum in der Antwort auf das Messsignal. Dies bedeutet, dass bei einem hohen SNR die Auflösung des Messsignals oder des Antwortsignals auf das Messsignal verringert werden kann, anstatt die Sendeleistung des Messsignals zu erhöhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung können einige Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung oder -röhre ein amplitudenmoduliertes Messsignal oder ein amplitudenmoduliertes Antwortsignal eines Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessers verwenden. Dieses Verfahren beinhaltet nicht notwendigerweise einen Signalerzeugungsphasen-Schritt, obwohl ein einmaliger Signalerzeugungsphasen-Schritt verwendet werden kann, um ein Messsignal zu erhalten. Zum Beispiel kann das Verfahren auf einem an einer Fertigungsstätte vorerzeugten Messsignal beruhen, wobei das Messsignal als ein Zeit-invertiertes Empfangssignal eines Ultraschallwandlers, wie beispielsweise eines piezoelektrischen Wandlers, erzeugt wird, der eine Reihe von Schwingungen empfangen hat, die von einem anderen Ultraschallwandler, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, ausgesandt wurden.
In einem ersten Schritt wird die Fluidleitung mit dem Fluid versehen, das sich bezüglich der Fluidleitung entsprechend äußeren Bedingungen wie Druck, Schwerkraft, Neigung des Rohres usw. bewegt.
Ein erster piezoelektrischer Wandler wird an einer ersten Stelle der Fluidleitung bereitgestellt. Ein zweiter Ultraschallwandler, beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, wird an einer zweiten Stelle der Fluidleitung bereitgestellt. Die zweite Stelle ist entlang einer Längsrichtung der Fluidleitung in Bezug auf die erste Stelle versetzt, wobei die Längsrichtung einer Fluidströmungsrichtung des Fluidkanals entspricht.
Ein Messsignal wird bereitgestellt und an den ersten oder an den zweiten Ultraschallwandler, wie beispielsweise piezoelektrischen Wandler, angelegt. Genauer gesagt, ein elektrisches Signal, das von einem amplitudenmodulierten Signal abgeleitet wird, das an den Wandler gesendet werden kann.
Ein erstes Antwortsignal des Messsignals wird an dem anderen Ultraschallwandler, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, gemessen, und eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird von dem ersten Antwortsignal abgeleitet. Insbesondere umfasst dies ein Ableiten einer stromabwärtigen oder einer stromaufwärtigen Laufzeit.
Ähnlich dem oben erwähnten Verfahren kann eine höhere Präzision erzielt werden, indem die Messung in der umgekehrten Richtung wiederholt wird, um eine stromabwärtige und eine stromaufwärtige Laufzeit zu erhalten. Wie in 43 und 44 gezeigt, können N Paare von Wandlern verwendet werden, zum Beispiel um eine genauere Schätzung der mittleren Strömung zu erhalten oder um eine Abschätzung der Strömung in einer Ebene in einem vorbestimmten Abstand von der Mittelachse der Flüssigkeitsleitung zu erhalten.
Insbesondere werden die Schritte des Anlegens des Messsignals und des Messens des Antwortsignals in der umgekehrten Richtung wiederholt, um ein zweites Antwortsignal zu erhalten, und eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wird aus dem ersten Antwortsignal und dem zweiten Antwortsignal abgeleitet, wobei die Ableitung das Ableiten einer stromabwärtigen und einer stromaufwärtigen Laufzeit umfasst.
Diese Schritte sind den oben beschriebenen Verfahrensschritten sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass Messungen vorgenommen werden, ohne das Gerät vor jeder Messung anzupassen.
Die folgenden Merkmale gelten für beide Verfahren, mit oder ohne Signalerzeugungsphase vor jeder Messung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Amplitude des Messsignals oder eine Amplitude des Antwortsignals über eine vorbestimmte Anzahl von Schwingungen, z.B. fünf oder mehr Schwingungsperioden des Trägersignals, auf eine maximale Amplitude ansteigen. Wenn die Amplitude über eine Zeitdauer ansteigt, kann ein Trägheitseffekt einer Reaktionszeit der Ultraschallwandler, wie beispielsweise piezoelektrischer Wandler, auf die Messung reduziert werden.
In einer besonderen Ausführungsform steigt das Messsignal oder das Antwortsignal über mindestens fünf Schwingungsperioden des Trägersignals exponentiell auf eine maximale Amplitude an.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Messsignal einen vorderen Abschnitt auf, wobei sich der vordere Abschnitt zeitlich über eine Anzahl von Halbwertsbreiten eines Signalmaximums des Messsignals erstreckt und wobei der vordere Abschnitt zeitlich mindestens einem Halbwertsbereich des Signalmaximum vorhergeht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Messsignal einen vorderen Abschnitt auf. Der vordere Abschnitt wird von einem hinteren Abschnitt eines empfangenen Signals abgeleitet, der einem Signalmaximum des empfangenen Signals zeitlich nachfolgt. Der vordere Abschnitt erstreckt sich über mindestens die dreifache Halbwertsbreite um das Signalmaximum des empfangenen Signals herum.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst der vordere Abschnitt mindestens 10% oder mindestens 50% einer Signalenergie des Messsignals.
Eine Signalenergie E eines Signals s(t) in einem Zeitintervall kann durch den Ausdruck $E = \int_{T 1}^{T 2} d t {| s (t) |}^{2}$
oder seine diskrete Version $E = {\sum_{i = - m}^{n} | s (i) |}^{2}$
definiert sein, wobei das Zeitintervall durch [T1, T2] bzw. [-m*Δt, n*Δt] gegeben ist.
Der vordere Abschnitt des Messsignals kann signifikant zur Erzeugung eines Signals beitragen, das räumlich und zeitlich ein Maximum besitzt.
In einigen spezifischen Ausführungsformen kann das Messsignal oder das Antwortsignal durch ein amplitudenmoduliertes Schwingungssignal bereitgestellt werden, das in Bezug auf die Amplitude digitalisiert ist, z.B. mit einer Auflösung zwischen 1 und 8 Bit. Dies kann Vorteile in Bezug auf die Berechnungsgeschwindigkeit und den Speicherplatz bieten und kann sogar zu einem erhöhten Signalmaximum führen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Messsignal, das an einen Wandler angelegt wird, ein Schwingungssignal aufweisen, das gemäß einer 0-1-Modulation moduliert ist, die entweder eine vorbestimmte Amplitude oder keine Amplitude oder mit anderen Worten eine Nullamplitude bereitstellt.
Insbesondere kann das amplitudenmodulierte Messsignal von einem gemessenen Antwortsignal gemäß einer Signalerzeugungsphase abgeleitet werden, in der die Fluidleitung mit einem Fluid versehen ist, das in Bezug auf die Fluidleitung eine vorbestimmte Geschwindigkeit besitzt oder im Wesentlichen ruhend ist.
Ein Impulssignal wird an den ersten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler, angelegt, und ein Antwortsignal des Impulssignals wird an einem zweiten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, empfangen.
Das Messsignal wird aus dem Antwortsignal abgeleitet.
Das Ableiten des Messsignals umfasst ein Auswählen eines Signalabschnitts des Antwortsignals oder eines daraus abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts und ein digitalisiertes Messsignal kann in einem computerlesbaren Speicher zur späteren Verwendung gespeichert werden.
In einer besonderen Ausführungsform kann eine Amplitude einer Hüllkurve des Messsignals oder eines Antwortsignals um mindestens eine Größenordnung von einem vorderen Signalabschnitt des Messsignals zu einer maximalen Amplitude ansteigen. Der vordere Signalabschnitt liegt zeitlich vor dem Signalmaximum. Mit anderen Worten wird er früher gesendet. Gemäß weiteren Ausführungsformen steigt die Amplitude um mindestens zwei oder sogar mindestens drei Größenordnungen an.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser offenbart. Die Vorrichtung weist einen ersten Anschluss zum Verbinden eines ersten piezoelektrischen Elements, einen zweiten Anschluss zum Verbinden eines zweiten piezoelektrischen Elements, einen optionalen Digital-Analog-Wandler (DAC), der mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und einen optionalen Analog-Digital-Wandler (ADC), der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, auf.
Ferner weist die Vorrichtung einen computerlesbaren Speicher, einen elektronischen Zeitgeber oder Oszillator, eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss und eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss auf.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung Mittel zum Erzeugen des Messsignals aus einem empfangenen Antwortsignal auf, wie etwa eine Auswahleinheit zum Auswählen eines Abschnitts des empfangenen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten. Optional kann ein Bandpassfilter vorgesehen sein, um unerwünschte Signalkomponenten zu entfernen. Ferner ist eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus mindestens dem invertierten Signal und zum Speichern des Messsignals in dem computerlesbaren Speicher bereitgestellt.
Des Weiteren weist die Vorrichtung Mittel zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit auf. Ein Messsignalgenerator, der mit dem ersten Anschluss oder mit dem zweiten Anschluss verbindbar ist, und ein Übertragungsmittel, wie etwa der DAC und die Anschlüsse, zum Senden des Messsignals an den ersten Anschluss sind an einer Sendeseite bereitgestellt. Eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals des Messsignals von dem zweiten Anschluss und eine Geschwindigkeitsverarbeitungseinheit zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit von dem empfangenen Antwortsignal sind an einer Empfangsseite bereitgestellt. Die Begriffe Geschwindigkeit der Strömung, Strömungsgeschwindigkeit (flow velocity) und Strömungsgeschwindigkeit (flow speed) werden in der vorliegenden Anmeldung als Synonyme verwendet.
Während das Gerät als analoges Gerät ohne A/D- und D/A-Wandler und ohne eine computerlesbare Speichereinheit bereitgestellt werden kann, ist es auch möglich, das Gerät oder Teile davon durch ein digitales Computersystem bereitzustellen.
Insbesondere können die verschiedenen Signalverarbeitungseinheiten, wie die Geschwindigkeitsverarbeitungseinheit, die Auswahleinheit und die Invertierungseinheit, vollständig oder teilweise durch eine anwendungsspezifische elektronische Komponente oder durch einen Programmspeicher mit einem computerlesbaren Befehlssatz bereitgestellt werden. In ähnlicher Weise können der Messsignalgenerator und ein Impulssignalgenerator der Sendeeinheit vollständig oder teilweise durch eine anwendungsspezifische elektronische Komponente bereitgestellt werden, die einen computerlesbaren Befehlssatz aufweisen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen direkten digitalen Signalsynthesizer (DDS) auf, der den oben erwähnten ADC aufweist. Der DDS weist ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator, einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter auf. Darüber hinaus ist der ADC über den Rekonstruktionstiefpassfilter mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbindbar.
Unter anderem kann der digitale Signalsynthesizer so konfiguriert werden, dass ein Signal wie das Messsignal unter Verwendung eines vorbestimmten Algorithmus oder vorbestimmter Werte, die in einer Speichereinheit mit einem computerlesbaren Speicher gespeichert sind, synthetisiert wird. Beispielsweise kann das Signal durch direkte Signalerzeugung oder durch DDS (Direct Digital Synthesis, direkte digitale Synthese) erzeugt werden.
Ferner offenbart die vorliegende Beschreibung eine Durchflussmessvorrichtung mit einem ersten piezoelektrischen Wandler, der mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und mit einem zweiten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, der mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Insbesondere können die Ultraschallwandler, wie beispielsweise piezoelektrische Wandler, mit Befestigungsbereichen versehen sein, wie zum Beispiel einem Klemmmechanismus, um sie an einem Rohr zu befestigen.
Die vorliegende Beschreibung offenbart weiterhin eine Durchflussmessvorrichtung mit einem Rohrabschnitt. Der erste Ultraschallwandler, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, ist an einer ersten Stelle an dem Rohrabschnitt angebracht, und der zweite Ultraschallwandler, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, ist an dem Rohrabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht. Insbesondere können die Wandler an dem Rohrabschnitt festgeklemmt sein. Wenn die Vorrichtung mit einem Rohrabschnitt versehen ist, kann dies Vorteile bringen, wenn die Vorrichtung in Bezug auf den Rohrabschnitt vorkalibriert ist.
Die Vorrichtung kann kompakt und tragbar sein. Eine tragbare Vorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung, die mit oberflächenmontierbaren Wandlern, wie z.B. Anklemmwandlern, ausgestattet ist, kann verwendet werden, um ein Rohr an jeder zugänglichen Stelle zu prüfen. Im Allgemeinen kann die Vorrichtung stationär oder tragbar sein. Vorzugsweise ist die Vorrichtung ausreichend kompakt, um an einer erforderlichen Stelle platziert zu werden, und ausreichend geschützt gegen Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Hitze und korrosive Substanzen.
Darüber hinaus offenbart die vorliegende Beschreibung einen computerlesbaren Code zum Ausführen eines Durchflussmessverfahrens gemäß der vorliegenden Beschreibung, einen computerlesbaren Speicher, der den computerlesbaren Code aufweist, und eine anwendungsspezifische elektronische Komponente, die betreibbar ist, um die Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Beschreibung auszuführen.
Insbesondere kann die anwendungsspezifische elektronische Komponente durch eine elektronische Komponente bereitgestellt sein, die den oben erwähnten computerlesbaren Speicher aufweist, wie beispielsweise ein EPROM, ein EEPROM, einen Flash-Speicher oder dergleichen. Gemäß anderen Ausführungsformen wird die anwendungsspezifische elektronische Komponente durch eine Komponente mit einer festverdrahteten oder mit einer konfigurierbaren Schaltungsanordnung wie einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application specific integrated circuit, ASIC) oder einer feldprogrammierbaren Gate-Anordnung (field programmable gate array, FPGA) bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine anwendungsspezifische elektronische Komponente gemäß der vorliegenden Beschreibung durch mehrere miteinander verbundenen elektronischen Komponenten bereitgestellt, beispielsweise durch ein FPGA, das mit einem geeignet programmierten EPROM in einer Multichipanordnung verbunden ist. Weitere Beispiele für eine anwendungsspezifische elektronische Komponente sind programmierbare integrierte Schaltungen wie programmierbare logische Anordnungen (Programmable Logic Arrays, PLAs) und komplexe programmierbare Logikanordnungen (Complex Programmable Logic Devices, CPLDs).
Es ist hilfreich zu bestimmen, ob eine handelsübliche Testvorrichtung eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß der vorliegenden Anwendung misst. Zu diesem Zweck stellt man der Fluidleitung ein Fluid zur Verfügung, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt. Ein Testimpulssignal wird an einen ersten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einen piezoelektrischen Wandler, der Testvorrichtung angelegt, wobei der erste piezoelektrische Wandler an einer ersten Stelle an der Fluidleitung angebracht ist, gefolgt von einem Empfangen eines Testantwortsignals des Testimpulssignals an einem zweiten piezoelektrischen Wandler der Testvorrichtung, wobei der zweite Ultraschallwandler, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler, an einer zweiten Stelle an der Fluidleitung angebracht ist.
Aus dem Antwortsignal wird dann ein Testmesssignal abgeleitet, wobei das Ableiten des Testmesssignals ein Zeit-Umkehren des Signals umfasst, gefolgt von einem Vergleichen des Testmesssignals mit einem Messsignal, das an dem anderen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, ausgesendet wird. Das Messsignal ist ein Signal, das von der Testvorrichtung bereitgestellt wird, wenn sie von dem Hersteller geliefert wird, basierend auf einem einmal erzeugten Fertigungsstätten-Messsignal nach der Herstellung der Testvorrichtung, die oft an einem Stück eines Rohres montiert ist.
In einem Fall, in dem die Testvorrichtung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung entsprechend der Anmeldung verwendet, sind das Testmesssignal und das Messsignal ähnlich. Mit anderen Worten wird das Reverse Engineering des Anmeldungsgegenstandes durch Auswählen eines Testsignals und Wiederholen der Signalerzeugungsphase der Anmeldung, bis das Testmesssignal und das Messsignal ähnlich sind, bereitgestellt. Der Begriff „ähnlich“ bedeutet, dass zwischen dem Testmesssignal und dem Messsignal eine signifikante Korrelation besteht.
Das Verfahren kann auch ein Auswählen eines Signalabschnitts des Testantwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Speichern des Testmesssignals zur späteren Verwendung umfassen.
Dementsprechend weist eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmessgerät, wie sie durch funktionale Merkmale definiert ist, einen ersten Anschluss für ein erstes piezoelektrisches Element, einen zweiten Anschluss für ein zweites piezoelektrisches Element, eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss, eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss, eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des Antwortsignals zum Erhalten eines invertierten Signals, eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal auf. Wenn die Vorrichtung zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung verwendet wird, wird man die Fluidleitung mit einem Fluid versehen, das eine Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt. Daraufhin wird ein Messsignal an einen von dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler, angelegt und ein erstes Antwortsignal des Messsignals an dem anderen von dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler, wie beispielsweise piezoelektrischem Wandler, gemessen. Man kann dann aus dem ersten Antwortsignal eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ableiten. Ein Reverse Engineering der Vorrichtung wird zeigen, dass bei Anlegen eines Testimpulssignals an einen ersten Ultraschallwandler, wie etwa einen piezoelektrischen Wandler, des Testgeräts, Empfangen eines Testantwortsignals des Testimpulssignals an einem zweiten piezoelektrischen Wandler der Testvorrichtung, wobei der zweite Ultraschallwandler, wie etwa ein piezoelektrischer Wandler, an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle montiert ist, Ableiten eines Testmesssignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Testmesssignals ein Zeit-Umkehren des Signals umfasst, das Testmesssignal und ein Messsignal, das an dem ersten oder dem zweiten Ultraschallwandler, wie etwa einem piezoelektrischen Wandler, emittiert wird, ähnlich sind. Diese funktionale Beschreibung hilft, die Vorrichtung der Anmeldung zu charakterisieren, ohne die Struktur und die Form der gesendeten Signale zu beschreiben.
Es ist klar, dass die Vorrichtung einen D/A-Wandler aufweisen kann, wobei der D/A-Wandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist, einen A/D-Wandler, wobei der A/D-Wandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, und einen computerlesbaren Speicher. Sie kann ferner eine Auswahleinheit zum Auswählen eines Abschnitts des empfangenen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals aufweisen, wobei die obigen Auswertungen mit dem ausgewählten Abschnitt des empfangenen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals durchgeführt werden.
Der Gegenstand der vorliegenden Beschreibung wird nun mit Bezug auf die folgenden Figuren näher erläutert, wobei

1 eine erste Durchflussmesseranordnung mit zwei piezoelektrischen Elementen zeigt,
2 die Durchflussmesseranordnung von 1 zeigt, ein direktes Signal,
3 die Durchflussmesseranordnung von 1 in Strömungsrichtung gesehen zeigt,
4 eine zweite Durchflussmesseranordnung mit vier piezoelektrischen Elementen und vier direkten Signalen zeigt,
5 die Durchflussmesseranordnung von 4 in Strömungsrichtung gesehen zeigt,
6 ein schematisches Diagramm eines Testsignals zeigt,
7 ein schematisches Diagramm einer Testsignalantwort zeigt,
8 ein schematisches Diagramm eines invertierten Signals zeigt,
9 ein schematisches Diagramm einer Antwort von dem invertierten Signal zeigt,
10 ein erstes invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
11 eine Antwort des invertierten Signals von 10 zeigt,
12 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
13 eine Antwort des invertierten Signals von 12 zeigt,
14 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
15 eine Antwort des invertierten Signals von 14 zeigt,
16 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
17 eine Antwort des invertierten Signals von 16 zeigt,
18 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
19 eine Antwort des invertierten Signals von 18 zeigt,
20 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
21 eine Antwort des invertierten Signals von 20 zeigt,
22 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
23 eine Antwort des invertierten Signals von 22 zeigt,
24 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
25 eine Antwort des invertierten Signals von 24 zeigt,
26 ein weiteres invertiertes Signal in hoher Auflösung zeigt,
27 eine Antwort des invertierten Signals von 26 zeigt,
28 ein weiteres invertiertes Signal in 12-Bit-Auflösung zeigt,
29 eine Antwort des Signals von 28 zeigt,
30 ein weiteres invertiertes Signal in 3-Bit-Auflösung zeigt,
31 eine Antwort des Signals von 30 zeigt,
32 ein weiteres invertiertes Signal in 2-Bit-Auflösung zeigt,
33 eine Antwort des Signals von 32 zeigt,
34 ein weiteres invertiertes Signal in 1-Bit-Auflösung zeigt,
35 eine Antwort des Signals von 34 zeigt,
36 einen kurzen Impuls an einem piezoelektrischen Element des Durchflussmessers von 1 zeigt,
37 ein Signal eines piezoelektrischen Elements des Durchflussmessers von 1 zeigt, das von der invertierten Antwort des Signals von 36 abgeleitet ist,
38 eine Antwort des Signals von 37 zeigt,
39 eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Kreuzkorrelationsfunktion zeigt,
40 eine ausschnittsweise Vergrößerung von 39 zeigt,
41 eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Beschreibung zeigt, und
42 einen direkten digitalen Synthesizer zur Verwendung in der Vorrichtung von 41 zeigt,
43 eine erste Mehrfachwandleranordnung zeigt, und
44 eine zweite Mehrfachwandleranordnung zeigt,
45 eine Z-Konfiguration von Anklemmwandlern zeigt,
46 eine V-Konfiguration von Anklemmwandlern zeigt,
47 eine W-Konfiguration von Anklemmwandlern zeigt,
48 ein Ein-Zyklus-Sendesignal zeigt,
49 ein Zehn-Zyklus-Sendesignal zeigt,
50 ein TRA-Sendesignal zeigt,
51 ein Antwortsignal auf das Ein-Zyklus-Sendesignal von 48 zeigt,
52 ein Antwortsignal auf das Zehn-Zyklus-Sendesignal von 49 zeigt,
53 ein Antwortsignal auf das TRA-Sendesignal von 50 zeigt,
54 eine Druckkurve eines TRA-Sendesignals und eines Antwortsignals auf das TRA-Sendesignal zeigt,
55 eine Druckkurve eines TRA-Sendesignals und eines Antwortsignals auf das TRA-Sendesignal zeigt,
56 ein Impulssignal zeigt, das verwendet wird, um den Signaleingang von 55 zu erzeugen,
57 ein erstes Antwortsignal zeigt, das Kanaleigenschaften angibt,
58 ein zweites Antwortsignal zeigt, das Kanaleigenschaften angibt,
59 ein weiteres Antwortsignal zeigt, und
60 ein weiteres Antwortsignal zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung werden Details bereitgestellt, um die Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung zu beschreiben. Es ist jedoch für einen Fachmann offensichtlich, dass die Ausführungsformen ohne derartige Details ausgeführt werden können.
1 zeigt eine erste Durchflussmesseranordnung 10. In der Durchflussmesseranordnung ist ein erstes piezoelektrisches Element 11 an einer Außenwand eines Rohrs 12 angeordnet, das auch als eine Rohrleitung 12 bezeichnet wird. Ein zweites piezoelektrisches Element 13 ist an einer entgegengesetzten Seite des Rohrs 12 derart angeordnet, dass eine direkte Linie zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element 11 und dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 unter einem Winkel β zu der Richtung 14 einer mittleren Strömung, die zugleich auch die Richtung der Symmetrieachse des Rohrs 12 ist, ausgerichtet ist. Der Winkel β ist im Beispiel von 1 ungefähr als 45 Grad gewählt, kann aber auch steiler sein, wie zum Beispiel 60 Grad, oder flacher, wie zum Beispiel 30 Grad.
Ein piezoelektrisches Element, wie die piezoelektrischen Elemente 11, 13 von 1, kann im Allgemeinen als ein Schallsender und als ein Schallsensor betrieben werden. Ein Schallsender und ein Schallsensor können durch dasselbe piezoelektrische Element oder durch unterschiedliche Bereiche desselben piezoelektrischen Elements bereitgestellt werden. In diesem Fall wird ein piezoelektrisches Element oder ein Wandler auch als piezoelektrischer Sender bezeichnet, wenn es als Sender oder Schallquelle betrieben wird, und es wird auch als Schallsensor oder Empfänger bezeichnet, wenn es als Schallsensor betrieben wird.
Wenn eine Strömungsrichtung wie in 1 gezeigt ist, wird das erste piezoelektrische Element 11 auch als „stromaufwärtiges“ piezoelektrisches Element bezeichnet und das zweite piezoelektrische Element 13 wird auch als „stromabwärtiges“ piezoelektrisches Element bezeichnet. Ein Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung arbeitet für beide Strömungsrichtungen im Wesentlichen auf die gleiche Weise und die Strömungsrichtung von 1 ist lediglich beispielhaft angegeben.
1 zeigt einen Fluss von elektrischen Signalen von 1 für eine Konfiguration, in der das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11 als ein piezoelektrischer Wandler betrieben wird und das stromabwärtige piezoelektrische Element 13 als ein Schallsensor betrieben wird. Um klar zu sein: die Anwendung arbeitet stromaufwärts und stromabwärts, d.h. die Position der piezoelektrischen Elemente kann vertauscht werden.
Eine erste Recheneinheit 15 ist mit dem stromaufwärtigen piezoelektrischen Element 11 verbunden und eine zweite Recheneinheit 16 ist mit dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 verbunden. Die erste Recheneinheit 15 weist einen ersten digitalen Signalprozessor, einen ersten Digital-Analog-Wandler (DAC) und einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC) auf. In ähnlicher Weise weist die zweite Recheneinheit 16 einen zweiten digitalen Signalprozessor, einen zweiten Digital-Analog-Wandler (DAC) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADC) auf. Die erste Recheneinheit 15 ist mit der zweiten Recheneinheit 16 verbunden.
Die in 1 gezeigte Anordnung mit zwei Recheneinheiten 15, 16 ist nur beispielhaft angegeben. Andere Ausführungsformen können unterschiedliche Anzahlen und Anordnungen von Recheneinheiten besitzen. Beispielsweise kann es nur eine zentrale Recheneinheit geben oder es können zwei AD/DC-Wandler und eine zentrale Recheneinheit vorhanden sein oder es können zwei kleine Recheneinheiten an den Wandlern und eine größere zentrale Recheneinheit vorhanden sein.
Eine Recheneinheit oder Recheneinheiten können beispielsweise durch Mikrocontroller oder anwendungsspezifischen integrierte Schaltungen (ASICs), ACIDs oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) bereitgestellt sein. Insbesondere kann die Synthese eines elektrischen Signals aus einem gespeicherten digitalen Signal durch einen direkten digitalen Synthesizer (DDS), der einen Digital-Analog-Wandler (DA, DAC) aufweist, bereitgestellt werden.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines Messsignals gemäß der vorliegenden Beschreibung umfasst die folgenden Schritte.
Ein vorbestimmtes digitales Testsignal wird durch Synthetisieren eines akustischen Signals mit dem digitalen Signalprozessor der ersten Recheneinheit 15 erzeugt. Das digitale Testsignal wird von der ersten Recheneinheit 15 entlang des Signalpfades 17 an den piezoelektrischen Wandler 11 gesendet. Der piezoelektrische Wandler 11 erzeugt ein entsprechendes Ultraschall-Testsignal. Die Einheiten 15 und 16 können auch in einer einzigen Einheit bereitgestellt werden.
Das Testsignal wird als ein kurzer Puls bereitgestellt, beispielsweise durch eine einzelne 1 MHz-Schwingung oder durch 10 solche Schwingungen. Insbesondere kann das Testsignal durch eine kleine Anzahl von Schwingungen mit konstanter Amplitude bereitgestellt werden, wodurch ein rechteckiges Signal approximiert wird. Die Schwingung oder die Schwingungen können eine Sinusform, eine Dreieckform, eine Rechteckform oder auch andere Formen besitzen.
Das Ultraschall-Testsignal läuft durch die Flüssigkeit in der Leitung 12 zu dem piezoelektrischen Sensor 13. In 1 ist ein direkter Signalweg des Ultraschallsignals durch einen Pfeil 18 angedeutet. Ebenso ist ein direkter Signalweg des Ultraschallsignals in umgekehrter Richtung durch einen Pfeil 19 angedeutet. Ein Antwortsignal wird von dem piezoelektrischen Sensor 13 aufgenommen, über den Signalpfad 20 an die zweite Recheneinheit 16 gesendet und von der zweiten Recheneinheit 16 digitalisiert.
In einem weiteren Schritt wird aus dem digitalisierten Antwortsignal ein digitales Messsignal abgeleitet. Das Ableiten der Messung eine Zeit-Umkehrung des digitalisierten Antwortsignals. Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst das Ableiten weitere Schritte wie eine Umwandlung in eine reduzierte Auflösung im Amplitudenbereich, eine Bandbreitenfilterung des Signals zur Beseitigung von Rauschen, wie niederfrequentes Rauschen und hochfrequentes Rauschen. Insbesondere kann der Schritt der Bandbreitenfilterung vor dem Schritt des Zeit-Umkehrens des Signals ausgeführt werden.
Die Signalumkehrung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch Auslesen eines Speicherbereichs in umgekehrter Richtung oder durch Umkehren des Vorzeichens von Sinuskomponenten in einer Fourier-Darstellung.
In einer Ausführungsform wird ein geeigneter Abschnitt des digitalisierten Antwortsignals ausgewählt, der die Antwort von dem direkten Signal enthält. Der Abschnitt des Antwortsignals wird dann in Bezug auf die Zeit umgedreht oder invertiert. Mit anderen Worten werden Signalabschnitte des Antwortsignals, die später empfangen werden, früher in dem invertierten Messsignal ausgesendet. Falls ein Signal beispielsweise durch eine zeitlich geordnete Folge von Amplitudenabtastwerten repräsentiert wird, führt die oben erwähnte Signalinversion dazu, die Reihenfolge der Amplitudenabtastwerte zu invertieren oder umzukehren.
Das resultierende Signal, in dem die Richtung oder das Vorzeichen der Zeit invertiert wurde, wird auch als „invertiertes Signal“ bezeichnet. Der Ausdruck „invertiert“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine Inversion bezüglich der Richtung der Zeit und nicht auf eine Inversion in Bezug auf einen Wert, wie den Amplitudenwert.
10 bis 19 zeigen beispielhaft digitale Signale gemäß der vorliegenden Beschreibung.
In einem Durchflussmesser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung wird das gleiche Messsignal für beide Richtungen 18, 19, die stromabwärtige und die stromaufwärtige Richtung, verwendet, was eine einfache und effiziente Anordnung bereitstellt. Gemäß anderen Ausführungsformen werden unterschiedliche Messsignale für beide Richtungen verwendet. Insbesondere kann das Messsignal an den ursprünglichen Empfänger des Testsignals angelegt werden. Derartige Anordnungen können Vorteile für asymmetrische Bedingungen und Rohrformen bieten.
Ein Verfahren zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit durch ein Rohr, das das oben erwähnte invertierte Signal als ein Messsignal verwendet, umfasst die folgenden Schritte.
Das oben erwähnte Messsignal wird von der ersten Recheneinheit 15 entlang des Signalpfades 17 an den piezoelektrischen Wandler 11 gesendet. Der piezoelektrische Wandler 11 erzeugt ein entsprechendes Ultraschallmesssignal. Beispiele für ein solches Messsignal sind in 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 37 und 38 angegeben.
Das Ultraschallmesssignal läuft durch die Flüssigkeit in dem Rohr 12 zu dem piezoelektrischen Sensor 13. Ein Antwortsignal wird von dem piezoelektrischen Sensor 13 aufgenommen, über den Signalpfad 20 an die zweite Recheneinheit 16 gesendet und von der zweiten Recheneinheit 16 digitalisiert.
Die zweite Recheneinheit 16 sendet das digitalisierte Antwortsignal an die erste Recheneinheit 15. Die erste Recheneinheit 15 bestimmt eine Laufzeit des empfangenen Signals, zum Beispiel unter Verwendung eines der weiter unten beschriebenen Verfahren.
Ein ähnliches Verfahren wird für ein in der Rückwärtsrichtung 19 laufendes Signal ausgeführt, nämlich wird das oben erwähnte Messsignal an das stromabwärtige piezoelektrische Element 13 angelegt und ein Antwortsignal wird durch das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11 gemessen, um eine stromaufwärtige Laufzeit TOF up in der Rückwärtsrichtung 19 zu erhalten. Die erste Recheneinheit 15 bestimmt eine Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise gemäß der Formel $v = \frac{c^{2}}{2 \cdot L \cdot cos β} \cdot (T O F_{u p} - T O F_{d o w n}),$
wobei L die Länge des direkten Weges zwischen den piezoelektrischen Elementen 11, 13 ist, β der Neigungswinkel des direkten Weges zwischen den piezoelektrischen Elementen 11, 13 und der Richtung der mittleren Strömung ist und c die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit unter den gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen ist.
Die quadrierte Schallgeschwindigkeit c^2 kann in zweiter Ordnung angenähert werden durch den Ausdruck $c^{2} \approx \frac{L^{2}}{T O F_{u p} * T O F_{d o w n}}$
was zu der Formel führt $v = \frac{L}{2 * cos β} \cdot \frac{T O F_{u p} - T O F_{d o w n}}{T O F_{u p} * T O F_{d o w n}}$
Dadurch ist es nicht notwendig, Temperatur oder Druck zu bestimmen, die wiederum die Fluiddichte und die Schallgeschwindigkeit bestimmen, oder die Schallgeschwindigkeit oder die Fluiddichte direkt zu messen. Im Gegensatz dazu hebt sich die erste Fehlerordnung nicht für nur eine Messrichtung auf.
Anstatt einen Faktor 2 · L · cos β zu verwenden, kann eine Proportionalitätskonstante aus einer Kalibriermessung mit einer bekannten Strömungsgeschwindigkeit abgeleitet werden. Die Proportionalitätskonstante der Kalibrierung berücksichtigt weitere Effekte wie Strömungsprofile und Beiträge von Schallwellen, die gestreut wurden und sich nicht entlang einer geraden Linie bewegten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Prozess des Erzeugens eines Impulssignals, des Aufzeichnens eines Antwortsignals und des Ableitens eines invertierten Messsignals aus dem Antwortsignal in einem Computer simuliert.
Relevante Parameter, wie der Rohrdurchmesser des Rohrs 12 und die Sensoranordnungen, werden als Eingabeparameter für die Simulation bereitgestellt.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform wird das Messsignal, das an ein sendendes piezoelektrisches Element geliefert werden soll, unter Verwendung einer Form eines typischen Antwortsignals auf ein Impulssignal synthetisiert, wie z.B. die in 37 und 38 gezeigten Signalformen. Zum Beispiel kann das Messsignal durch eine Sinusschwingung von 1 MHz bereitgestellt werden, die amplitudenmoduliert ist mit einer Einhüllenden gemäß einer Gaußschen Wahrscheinlichkeitsfunktion mit einer Halbwertsbreite von 10 Mikrosekunden. Die Halbwertsbreite kann als ein Eingangsparameter gewählt werden, der von der tatsächlichen Anordnung wie dem Rohrdurchmesser und der Sensoranordnung abhängt.
Ein Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung kann auch als ein vordefinierter Durchflussmesser bereitgestellt sein, bei dem das Messsignal während eines Testlaufs an einer Fertigungsstätte erzeugt wird, insbesondere wenn der Durchflussmesser zusammen mit einem Rohrabschnitt geliefert wird.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung wird eine Laufzeit in stromaufwärtiger und in stromabwärtiger Richtung bestimmt, indem eine Zeit einer Maximalamplitude eines empfangenen Signals in Bezug auf eine Sendezeit des Messsignals ausgewertet wird. Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen, kann das Maximum unter Verwendung einer Hüllkurve des empfangenen Signals bestimmt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Messung mehrfach wiederholt und eine mittlere Laufzeit wird verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung wird die Laufzeit eines Signals unter Verwendung einer Kreuzkorrelationstechnik bewertet. Insbesondere können die jeweiligen Zeitverschiebungen durch Kreuzkorrelation des empfangenen stromabwärtigen oder stromaufwärtigen Signals mit dem empfangenen Signal bei einer Strömungsgeschwindigkeit von Null bewertet werden gemäß der Formel: $C C o r r (τ) = \sum_{t = - \infty}^{\infty} S i g_{F l o w} (t) \cdot S i g_{N o F l o w} (t + τ),$
wobei Sig Flow ein stromaufwärtiges oder stromabwärtiges Signal unter Messbedingungen darstellt, wenn ein Fluidstrom durch das Rohr fließt, und wobei Sig_NoFlow ein Signal unter Kalibrierungsbedingungen bei einem Fluss von Null darstellt. Die unendlichen Summengrenzen repräsentieren ein ausreichend großes Zeitfenster [-T1, +T2]. Allgemeiner gesagt müssen -T1 und +T2 nicht gleich sein und dies kann aus praktischen Gründen für den Durchflussmesser vorteilhaft sein.
Die Zeitverschiebung TOF_up —TOF_down wird dann durch Vergleichen der Zeit des Maximums der stromaufwärtigen Korrelationsfunktion mit der Zeit des Maximums der stromabwärtigen Korrelationsfunktion erhalten. Die Einhüllende der Korrelationsfunktion kann verwendet werden, um den Ort des Maximums genauer zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der ersten Recheneinheit 15 und der zweiten Recheneinheit 16 eine separate Auswerteeinheit bereitgestellt, die die Berechnung der Signalankunftszeiten und der Strömungsgeschwindigkeit durchführt.
Im Allgemeinen resultiert das gemessene Signal des Schallsensors aus einer Überlagerung von gestreuten Signalen und einem direkten Signal. Die gestreuten Signale werden einmal oder mehrmals von den Wänden des Rohrs gestreut. Dies ist beispielhaft in 2 und 3 gezeigt
Die Wandlerkonfiguration von 1 ist eine direkte-Linien- oder „Z“-Konfiguration. Andere Anordnungen, die Reflexionen auf einer entgegengesetzten Seite des Rohrs verwenden, sind ebenfalls möglich, wie zum Beispiel die „V“- und die „W“-Konfiguration. Die V- und W-Konfiguration basieren auf Reflexionen an der Rohrwand, die mehr Streuungen induzieren als die Z-Konfiguration. Der Gegenstand der Anmeldung wird von diesen Konfigurationen profitieren, solange die Pfade richtig verstanden werden.
In einer V-Konfiguration sind die beiden Wandler auf der gleichen Seite des Rohrs montiert. Zur Aufnahme einer 45-Grad-Reflexion sind sie um einen Rohrdurchmesser in Strömungsrichtung auseinander angeordnet. Die W-Konfiguration verwendet drei Reflexionen. Ähnlich wie bei der V-Konfiguration sind die beiden Wandler auf der gleichen Seite des Rohrs montiert. Zur Aufnahme eines Signals nach zwei 45-Grad-Reflexionen sind sie um zwei Rohrdurchmesser in Strömungsrichtung auseinander angeordnet.
2 zeigt beispielhaft ein erstes akustisches Signal, das direkt von dem piezoelektrischen Element 11 zu dem piezoelektrischen Element 13 läuft.
Der Einfachheit halber sind die Streuereignisse in 2 bis 5 als Reflexionen gezeigt, jedoch kann der tatsächliche Streuprozess komplizierter sein. Insbesondere tritt die relevanteste Streuung typischerweise an der Rohrwand oder an Material auf, das vor den piezoelektrischen Wandlern angebracht ist. Die empfangene Streuung hängt auch von der Sensoranordnung ab. Beispielhaft zeigen 45, 46 und 47 Z-, V- und W-Sensoranordnungen. 3 zeigt eine Ansicht von 2 in Strömungsrichtung in Blickrichtung A-A.
4 und 5 zeigen eine zweite Sensoranordnung, bei der ein weiteres piezoelektrisches Element 22 in einem Winkel von 45 Grad zu dem piezoelektrischen Element 11 positioniert ist und ein weiteres piezoelektrisches Element 23 in einem Winkel von 45 Grad zu dem piezoelektrischen Element 13 positioniert ist.
Des Weiteren zeigen 4 und 5 direkte oder geradlinige akustische Signalwege für eine Situation, in der die piezoelektrischen Elemente 11, 22 als Piezowandler betrieben werden und die piezoelektrischen Elemente 13, 23 als Schallsensoren betrieben werden. Das piezoelektrische Element 23, das in der Ansicht von 4 auf der Rückseite des Rohres 12 ist, wird in 4 durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
6 bis 9 zeigen in vereinfachter Weise ein Verfahren zum Erzeugen eines Messsignals aus einer Antwort eines Testsignals. In 6 bis 9 sind Verluste aufgrund von Streuung durch schraffierte Abschnitte eines Signals und durch Pfeile dargestellt.
Für die Betrachtungen der 6 bis 9 wird angenommen, dass sich das akustische Signal nur entlang eines geradlinigen Pfades, entlang eines ersten Streukanals mit einer Zeitverzögerung von Δt und entlang eines zweiten Streukanals mit einer Zeitverzögerung von 2Δt ausbreitet. Signaldämpfung entlang der Pfade wird nicht berücksichtigt.
Ein Testsignal in Form einer rechteckigen Spitze wird an das piezoelektrische Element 11 angelegt. Aufgrund von Streuung geht ein erster Teil der Signalamplitude aufgrund des ersten Streuungspfades verloren und tritt nach einer Zeit Δt auf und ein zweiter Teil der Signalamplitude geht aufgrund des zweiten Streuungspfades verloren und tritt nach einer Zeit 2Δt auf. Dies ergibt ein Signal gemäß den weißen Säulen in 7, das an dem piezoelektrischen Element 13 aufgezeichnet wird.
Ein Signalprozessor invertiert dieses aufgezeichnete Signal bezüglich der Zeit und legt das invertierte Signal an das piezoelektrische Element 11 an. Der gleiche Streuprozess wie zuvor erklärt gilt nun für alle drei Signalkomponenten. Infolgedessen wird ein Signal gemäß 9 an dem piezoelektrischen Element 13 aufgezeichnet, das annähernd symmetrisch ist.
In Wirklichkeit werden die empfangenen Signale über die Zeit verteilt sein und es gibt oft eine „Oberflächenwelle“, die durch Material des Rohrs gegangen ist und vor dem direkten Signal ankommt. Diese Oberflächenwelle wird verworfen, indem ein geeignetes Zeitfenster zum Erzeugen des invertierten Messsignals gewählt wird. Ebenso können Signale, die von Mehrfachreflexionen herrühren und spät ankommen, durch Begrenzen des Zeitfensters und/oder durch Auswählen bestimmter Teile des Signals verworfen werden.
Die folgende Tabelle zeigt gemessene Zeitverzögerungen für eine direkte Ausrichtung oder, mit anderen Worten, für eine gerade Verbindung zwischen angeklemmten piezoelektrischen Elementen auf einem DN 250 Rohr in einer Ebene senkrecht zu der Längserstreckung des DN 250 Rohres. Die Durchflussrate bezieht sich auf einen Wasserfluss durch das DN 250 Rohr.
Hierin bezieht sich „TOF 1 Zyklus“ auf einen Impuls wie den in 36 gezeigten, der durch ein piezoelektrisches Element erzeugt wird, das durch ein elektrisches Signal mit einer Schwingung mit einer Periode von 1 µs angeregt wird. „TOF 10 Zyklus“ bezieht sich auf ein Signal, das von einem piezoelektrischen Element erzeugt wird, das durch ein elektrisches Signal mit 10 sinusförmigen Schwingungen konstanter Amplitude mit einer Periode von 1 µs angeregt wird.

Durchflussrate /Verfahren 21 m³/h 44 m³/h 61 m³/h

TOF 1 Zyklus 7 ns 18 ns 27 ns

TOF 10 Zyklus 9 ns 19 ns 26 ns

Zeitumkehr 8 ns 18 ns 27 ns
10 - 27 zeigen invertierte Signale mit hoher Auflösung und ihre jeweiligen Antwortsignale. Die Spannung ist in willkürlichen Einheiten (arbitrary units) über der Zeit in Mikrosekunden aufgetragen.
Die Zeitachsen in den oberen Figuren zeigen eine Sendedauer des invertierten Signals. Die Sendedauer ist auf das Zeitfenster beschränkt, das verwendet wird, um das invertierte Signal aufzuzeichnen. In dem Beispiel der 10 - 27 beginnt das Zeitfenster kurz vor dem Einsetzen des Maximums, das von dem direkten Signal kommt, und endet 100 Mikrosekunden danach.
Die Zeitachsen in den unteren Figuren sind um das Maximum der Antwortsignale herum zentriert und erstrecken sich 100 Mikrosekunden, was die Größe des Zeitfensters für das invertierte Signal ist, vor und nach dem Maximum der Antwortsignale.
28 - 35 zeigen digitalisierte invertierte Signale mit einer hohen Auflösung und in 12, 3, 2 und 1 Bit Auflösung im Amplitudenbereich und ihre jeweiligen Antwortsignale. Die Spannung ist in Volt über der Zeit in Mikrosekunden aufgetragen. Die Signale von 28 - 35 wurden für ein wassergefülltes DN 250 Rohr erhalten.
Die Länge des Zeitfensters für das invertierte Signal beträgt 450 Mikrosekunden. Daher ist das Zeitfenster von 28 - 35 mehr als viermal größer als in den vorhergehenden 9 - 27.
In 28 - 35 ist ersichtlich, dass selbst eine Digitalisierung mit 1 Bit Auflösung eine scharfe Spitze erzeugt. Es ist ersichtlich, dass die Spitze für die niedrigeren Auflösungen sogar noch deutlicher wird. Eine mögliche Erklärung für diesen Effekt ist, dass in dem Beispiel der 28 - 35 die Gesamtenergie des Eingangssignals erhöht wird, indem eine gröbere Digitalisierung im Amplitudenbereich verwendet wird, während das Antwortsignal in der Zeit konzentriert bleibt.
36 zeigt ein Signal, das von einem piezoelektrischen Element nach dem Empfang eines elektrischen Pulses erzeugt wird, der etwa 0,56 Mikrosekunden dauert, was einer Frequenz von 3,57 MHz entspricht. Aufgrund der Trägheit des piezoelektrischen Elements ist die maximale Amplitude für die negative Spannung kleiner als für die positive Spannung und es gibt mehrere Nachschwingungen, bevor das piezoelektrische Element zur Ruhe kommt.
37 zeigt ein elektrisches Signal, das an ein piezoelektrisches Element, wie beispielsweise das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11 von 1, angelegt wird. Das Signal von 37 wird durch Bilden eines Durchschnitts von zehn digitalisierten Antwortsignalen auf ein Signal des in 36 gezeigten Typs und zeitliches Umkehren des Signals abgeleitet, wobei die Antwortsignale von einem piezoelektrischen Element wie dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 von 1 empfangen werden.
In dem Beispiel von 37 werden die digitalisierten Signale erhalten, indem ein Signalabschnitt aus dem Antwortsignal herausgeschnitten wird, der ungefähr 10 Mikrosekunden vor dem Beginn der Einhüllenden des Antwortsignals beginnt und der ungefähr 55 Mikrosekunden hinter der Einhüllenden des Antwortsignals endet. Die Hüllkurvenform des Antwortsignals von 37 ist ähnlich der Form einer Gaußschen Wahrscheinlichkeitsverteilung oder, mit anderen Worten, einer geeignet verschobenen und skalierten Version von exp(-x^2).
38 zeigt einen Abschnitt eines Antwortsignals auf das in 37 gezeigte Signal, wobei das Signal von 37 an ein erstes piezoelektrisches Element, wie das stromaufwärtige piezoelektrische Element 11, angelegt und an einem zweiten piezoelektrischen Element, wie dem stromabwärtigen piezoelektrischen Element 13 von 1, empfangen wird.
39 zeigt eine stromaufwärtige Kreuzkorrelationsfunktion und eine stromabwärtige Kreuzkorrelationsfunktion, die erhalten werden durch Kreuzkorrelation des stromaufwärtigen Signals bzw. des stromabwärtigen Signals der Anordnung von 1 mit einem bei Nullfluss erhaltenen Signal.
40 zeigt eine ausschnittsweise Vergrößerung von 39. Zwei Positionsmarker geben die Positionen der jeweiligen Maxima der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kreuzkorrelationsfunktion an. Die Zeitdifferenz zwischen den Maxima ist ein Maß für die Zeitdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Signal.
48, 49 und 50 zeigen drei unterschiedliche Sendesignale: 48 zeigt einen herkömmlichen Puls (1 Zyklus) und 48 zeigt einen 10-Zyklen-Puls im Vergleich zu dem wie oben beschrieben erzeugten Messsignal, wie dem Signal von 50. Die Wandler wurden auf ein DN250-Rohr geklemmt.
51, 52 und 53 zeigen die zugehörigen empfangenen Signale nach dem Senden der Signale, die in den jeweiligen 48, 59 und 50 gezeigt sind. Durch Vergleich kann leicht erkannt werden, dass ein Messsignal die Energie fokussiert und eine mehr als zweimal größere Amplitude des Empfangssignals im Vergleich zu den Empfangssignalen als Antwort auf die herkömmlichen Pulse (zum Beispiel 1 oder 10 Zyklen) der 48 und 49 erzeugt.
41 zeigt beispielhaft eine Durchflussmessvorrichtung 60 zum Messen einer Strömung in der Anordnung in 1 oder anderen Anordnungen gemäß der Beschreibung. In der Anordnung von 1 wird die Durchflussmessvorrichtung 60 durch die erste und zweite Recheneinheit 15, 16 bereitgestellt.
Die Durchflussmessvorrichtung 60 weist einen ersten Anschluss 61 zum Verbinden eines ersten piezoelektrischen Wandlers und einen zweiten Anschluss 62 zum Verbinden eines zweiten piezoelektrischen Wandlers auf. Der erste Anschluss 61 ist über einen Multiplexer 63 mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 64 verbunden. Der zweite Anschluss 62 ist über einen Demultiplexer 66 mit einem Analog-Digital-Wandler 65 verbunden.
Der ADC 65 ist mit einer Signalauswahleinheit 67 verbunden, die mit einer Signalinvertierungseinheit 68 verbunden ist, die mit einem Bandpassfilter 69 verbunden ist, das mit einem computerlesbaren Speicher 70 verbunden ist. Des Weiteren ist der ADC 65 mit einer Geschwindigkeitsberechnungseinheit 71 verbunden.
Der DAC 64 ist mit einem Impulssignalgenerator 72 und einem Messsignalgenerator 73 verbunden. Der Messsignalgenerator ist über eine Befehlsleitung 74 mit dem Impulsgenerator 72 verbunden. Die Geschwindigkeitsberechnungseinheit 71 ist über eine zweite Befehlsleitung 75 mit dem Messsignalgenerator 73 verbunden.
Im Allgemeinen umfassen der Impulssignalgenerator 72 und der Messsignalgenerator Hardwareelemente, wie einen Oszillator, und Softwareelemente, wie beispielsweise ein Impulsgeneratormodul und ein Messsignalgeneratormodul. In diesem Fall können die Befehlsleitungen 74, 75 durch Software-Schnittstellen zwischen jeweiligen Modulen bereitgestellt werden.
Während einer Signalerzeugungsphase sendet der Impulssignalgenerator ein Signal an den DAC 64, die Auswahleinheit 67 empfängt ein entsprechendes ankommendes Signal über den ADC 65 und wählt einen Abschnitt eines ankommenden Signals aus. Die Invertierungseinheit 68 invertiert den ausgewählten Signalabschnitt in Bezug auf die Zeit, das optionale Bandpassfilter 69 filtert untere und obere Frequenzen heraus und das resultierende Messsignal wird in dem Computerspeicher 70 gespeichert. Wenn das Wort „Signal“ in Bezug auf einen Signalmanipulationsschritt verwendet wird, kann es sich insbesondere auf eine Darstellung eines Signals in einem Computerspeicher beziehen.
Insbesondere kann eine Signaldarstellung durch Wertepaare von digitalisierten Amplituden und zugehörigen diskreten Zeiten definiert sein. Andere Darstellungen umfassen unter anderem Fourier-Koeffizienten, Wavelet-Koeffizienten und eine Hüllkurve zur Amplitudenmodulation eines Signals.
42 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Durchflussmessvorrichtung 60' zum Messen eines Durchflusses in der Anordnung in 1 oder anderer Anordnungen gemäß der Beschreibung. Die Durchflussmessvorrichtung 60' weist einen direkten digitalen Synthesizer (DDS) 76 auf. Zur Vereinfachung sind nur die Komponenten des DDS 76 gezeigt. Der DDS 76 wird auch als Arbiträr-Funktionsgenerator (arbitrary waveform generator, AWG) bezeichnet.
Der DDS 76 weist einen Referenzoszillator 77, der mit einem Frequenzsteuerungsregister 78, einem numerisch gesteuerten Oszillator (numerically controlled oscillator, NCO) 79 und dem DAC 64 verbunden ist. Ein Eingang des NCO 79 für N Kanäle ist mit einem Ausgang des Frequenzsteuerregisters 78 verbunden. Ein Eingang des DAC 64 für M Kanäle ist mit dem NCO 79 verbunden und ein Eingang eines Rekonstruktions-Tiefpassfilters ist mit dem DAC 64 verbunden. Beispielsweise kann ein direkter numerisch gesteuerter Oszillator 79 mit einer Taktfrequenz von 100 MHz verwendet werden, um ein amplitudenmoduliertes 1 MHz-Signal zu erzeugen.
Ein Ausgang des Rekonstruktions-Tiefpassfilters 80 ist mit den piezoelektrischen Wandlern 11, 13 von 1 verbunden.
Aufgrund der Trägheit eines Oszillatorkristalls ist es oft vorteilhaft, einen Oszillator mit einer höheren Frequenz als der einer Trägerwelle zu verwenden, um ein vorbestimmtes amplitudenmoduliertes Signal zu erhalten, zum Beispiel durch Verwendung eines direkten digitalen Synthesizers.
45, 47 und 48 veranschaulichen die oben erwähnten Z-, V- und W-Durchflussmesskonfigurationen. In den Beispielen der 45, 47, 48 sind Anklemmwandler über entsprechende Kopplungsstücke an einer Leitung befestigt.
54 und 55 zeigen einen Vergleich jeweiliger Empfangs- oder Antwortsignale mit zugehörigen Sendesignalen, die ohne Verwendung eines Zeitumkehrverfahrens und unter Verwendung eines Zeitumkehrverfahrens erzeugt wurden.
In dem Beispiel von 54 wird eine modulierte Sinuswelle mit einer gaußförmigen Hüllkurve als ein Sendesignal verwendet. Die Signalenergie des Sendesignals ist proportional zu 1,3 x 10^-7 (Pa/m)² s und die Signalamplitude ist 0,1 Pa. Der Wert wird durch Integrieren des quadratischen Drucks pro Längeneinheit über die Zeit erhalten. Das Antwortsignal hat eine Spitze-zu-Spitze-Amplitude des Empfangssignals von ungefähr 0,09 Pa.
In dem Beispiel von 55 wird ein zeitumgekehrtes Signal, das von dem Antwortsignal auf das Impulssignal von 56 abgeleitet wird, als ein Sendesignal verwendet. Das Sendesignal wird so eingestellt, dass es die gleiche Signalenergie von 1,3 x 10^-7 (Pa/m)² s wie das Sendesignal von 54 besitzt. Dies ergibt eine Spitze-zu-Spitze-Amplitude des Empfangssignals, die etwa 0,375 Pa beträgt.
Die Empfangsamplitude von 55 ist mehr als viermal höher als die Amplitude des Empfangssignals von 54. Die erhöhte Amplitude auf der Empfangsseite kann eine einfachere und stabilere Signalerkennung bereitstellen. Unter anderem kann die Amplitudenerhöhung durch Einstellen der Bitauflösung der Amplitude des zeitumgekehrten Signals angepasst werden, insbesondere durch Erhöhen oder Verringern der Bitauflösung, um eine größere Amplitude zu erhalten.
56 und 57 veranschaulichen, wie die Empfangssignale verwendet werden können, um Informationen über den Übertragungskanal und insbesondere über die Wandstärke der Leitung, Ablagerungen an der Wand abzuleiten. Gemäß der vorliegenden Beschreibung kann eine Antwort auf das Messsignal, welches das zeitumgekehrte Antwortsignal ist, analysiert werden, um eine Bestimmung von Eigenschaftsänderungen des Rohrmaterials wie Risse, Verkrustung usw. zu ermöglichen. Bei einer Durchflussmessung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung werden diese Eigenschaftsänderungen durch Analysieren des gleichen Empfangssignals bestimmt, das für die Laufzeitmessung verwendet wird.
57 zeigt ein erstes Antwortsignal, das Informationen über einen ersten Übertragungskanal enthält.
58 zeigt ein zweites Antwortsignal, das Informationen über einen zweiten Übertragungskanal enthält. Die Länge des horizontalen Pfeils auf der zentralen Hauptkeule erstreckt sich zwischen der linken Nebenkeule und der rechten Nebenkeule, die links bzw. rechts von der Hauptkeule sind. Die Länge des Pfeils stellt die Dicke einer Rohrwand dar, falls das Signal entsprechend der 46 erzeugt wird. Die gemessene Wandstärke wird an der Stelle bestimmt, an der die Welle am unteren Teil des Rohres in 46 reflektiert wird. Wenn sich an der Rohrwand eine Ablagerung befindet, erhöht sich die gemessene Wandstärke.
59 zeigt ein weiteres Antwortsignal. Der experimentelle Aufbau zum Erhalten des Signals von 59 umfasst Anklemm-Winkelwandler, einen Acrylwandler-Kopplungskopf, eine Schallgeschwindigkeit von c = 2370 m/s, einen Kopplungswinkel von 40°, eine Edelstahlwand, eine Transversalwellengeschwindigkeit von c = 3230 m/s, 61,17°, Wasser als Fluid, eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid von c = 1480 m/s, eine Transversalwellenwinkelachse von 23,67° und einen Strömungswinkel von 66,33°, entnommen aus 59.
60 zeigt ein weiteres Antwortsignal. Der experimentelle Aufbau zum Erhalten des Signals von 60 umfasst einen Acrylwandler-Kopplungskopf, eine Schallgeschwindigkeit von c = 2370 m/s, einen Kopplungswinkel von 20°, eine Edelstahlwand, eine Longitudinalwellengeschwindigkeit von c = 5790 m/s, 56,68°, Transversalwelle c = 3230 m/s, Wasser als Fluid, eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid von c = 1480 m/s, eine Longitudinalwellenwinkelachse = 12,33°, eine Transversalwellenwinkelachse von 12,33° und einen Strömungswinkel von 77,67°, entnommen aus 60.
Die alternativen Aufbaukonfigurationen für 59 und 60 sind in 45, 46 und 47 gezeigt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung werden die Kanaleigenschaften durch Analysieren eines Empfangssignals wie etwa der Signale von 57 bis 60 abgeleitet.
Das Beispiel der 59 und 60 zeigt die Unterschiede in den Empfangssignalen in Abhängigkeit vom Vorhandensein von Longitudinal- und Transversalwellen im Rohrmaterial. Das Vorhandensein dieser Wellen ist typisch für das ausgewählte Material und die Geometrie und kann für eine Materialanalyse verwendet werden. Solche Materialanalysen, die auf Ultraschall-Testwellen basieren, werden im Anwendungsgebiet der zerstörungsfreien Prüfung (Non-Destructive Testing, NDT) verwendet. Diese vorliegende Beschreibung ermöglicht die gleichzeitige Analyse von Strömung und z.B. Rohrmaterial, da das empfangene Signal die Impulsantwort des Messsystems einschließlich des Übertragungskanals und der Materialumgebung enthält.
Die Analyse der Empfangssignale kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Vergleich des Empfangssignals mit einer zuvor empfangenen Impulsantwort oder durch direkte Auswertung einer Impulsantwort, beispielsweise zur Bestimmung einer Wandstärke.
Obwohl die vorhergehende Beschreibung viele Details beinhaltet sollte dies nicht als eine Beschränkung des Geltungsbereichs der Ausführungsformen ausgelegt werden, sondern lediglich als Bereitstellen von Erläuterungen der vorhersehbaren Ausführungsformen. Die Verfahrensschritte können in einer anderen Reihenfolge als in den bereitgestellten Ausführungsformen durchgeführt werden und die Unterteilung der Messvorrichtung in Verarbeitungseinheiten und ihre jeweiligen Verbindungen können sich von den bereitgestellten Ausführungsformen unterscheiden.
Insbesondere können die Verfahrensschritte des Speicherns einer digitalen Darstellung eines Signals und des Durchführens von Operationen, wie z. B. Auswählen eines Signalabschnitts, zeitliches Umkehren eines Signals und Filtern eines Signals, vertauscht werden. Zum Beispiel kann ein Signal in einer zeitinvertierten Form gespeichert werden oder es kann in umgekehrter Reihenfolge ausgelesen werden, um ein zeitinvertiertes Signal zu erhalten.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf ein rundes DN 250 Rohr erklärt wird, kann sie leicht auf andere Rohrgrößen oder sogar auf andere Rohrformen angewendet werden. Obwohl die Ausführungsformen in Bezug auf Anklemmwandler erläutert sind, können auch benetzte Wandler verwendet werden, die in ein Rohr hineinragen oder in einem offenen Kanal installiert sind.
Insbesondere sollten die oben genannten Vorteile der Ausführungsformen nicht als eine Beschränkung des Geltungsbereichs der Ausführungsformen ausgelegt werden, sondern lediglich um mögliche Erfolge zu erklären, falls die beschriebenen Ausführungsformen in die Praxis umgesetzt werden. Daher sollte der Geltungsbereich der Ausführungsformen durch die Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt werden statt durch die gegebenen Beispiele.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung können auch mit den folgenden Listen von Elementen beschrieben werden, die in Punkten organisiert sind. Die jeweiligen Merkmalskombinationen, die in der Punkteliste angegeben sind, werden jeweils als eigenständiger Gegenstand betrachtet, der auch mit anderen Merkmalen der Anwendung kombiniert werden kann.

1. Ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung, aufweisend:
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt,
- - Anlegen eines Impulssignals an einen ersten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer ersten Stelle angebracht ist,
- - Empfangen eines Antwortsignals des Impulssignals an einem zweiten Ultraschallwandler, wobei der zweite Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle angeordnet ist,
- - Ableiten eines Messsignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Messsignals ein Auswählen eines Signalabschnitts des Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts umfasst,
- - Speichern des Messsignals zur späteren Verwendung,
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit dem Fluid, wobei sich das Fluid in Bezug auf die Fluidleitung bewegt,
- - Anlegen des Messsignals an einen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers,
- - Messen eines ersten Antwortsignals des Messsignals an dem anderen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers,
- - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem ersten Antwortsignal, wobei die folgenden Schritte des
- - Anlegens eines Impulssignals an einen ersten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer ersten Stelle angebracht ist,
- - Empfangens eines Antwortsignals des Impulssignals an einem zweiten Ultraschallwandler, wobei der zweite Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle angeordnet ist,
- - Ableitens eines Messsignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Messsignals ein Auswählen eines Signalabschnitts des Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals und ein Zeit-Umkehren des Signalabschnitts umfasst,
- - Speicherns des Messsignals zur späteren Verwendung, optional sind oder weggelassen werden können, falls das Messsignal früher ermittelt wurde.
2. Das Verfahren gemäß Punkt 1, aufweisend
- - Wiederholen der Schritte des Anlegens des Messsignals und des Messens des Antwortsignals in der umgekehrten Richtung, um ein zweites Antwortsignal zu erhalten,
- - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem ersten Antwortsignal und dem zweiten Antwortsignal.
3. Das Verfahren gemäß Punkt 1 oder Punkt 2, wobei der Signalabschnitt, der zum Ableiten des Messsignals verwendet wird, einen ersten Abschnitt um eine maximale Amplitude des Antwortsignals und einen hinteren Signalabschnitt aufweist, wobei sich der hintere Signalabschnitt zeitlich nach der Ankunftszeit der maximalen Amplitude erstreckt.
4. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, aufweisend
- - Mehrfaches Wiederholen der Schritte des Anlegens eines Impulssignals und des Empfangens eines zugehörigen Antwortsignals, wodurch mehrere Antwortsignale erhalten werden,
- - Ableiten des Messsignals aus einem Durchschnitt der empfangenen Antwortsignale.
5. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, wobei das Ableiten des Messsignals ein Digitalisieren des Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals in Bezug auf eine Amplitude aufweist.
6. Das Verfahren gemäß Punkt 5, aufweisend ein Erhöhen der Bitauflösung des digitalisierten Signals, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das Messsignal zu erhöhen.
7. Das Verfahren gemäß Punkt 5, aufweisend ein Verringern der Bitauflösung des digitalisierten Signals, um eine Amplitude eines Antwortsignals auf das Messsignal zu erhöhen.
8. Das Verfahren gemäß einem der Punkte 5 bis 7, wobei die Bitauflösung des digitalisierten Signals in Bezug auf die Amplitude eine niedrige Bitauflösung ist.
9. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Punkte, aufweisend ein Verarbeiten von mindestens einem der Antwortsignale zum Bestimmen einer Änderung der Wandstärke der Leitung oder zum Bestimmen von Materialeigenschaften der Leitungswände durch Bestimmen von Longitudinal- und Transversalschallwellencharakteristiken.
10. Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend
- - einen ersten Anschluss für ein erstes Ultraschallelement,
- - einen zweiten Anschluss für ein zweites Ultraschallelement,
- - eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss,
- - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss,
- - eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten,
- - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal und Speichern des Messsignals, wobei die folgenden Elemente
  - - einer Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss,
  - - einer Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss,
  - - einer Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten,
  - - einer Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal und Speichern des Messsignals,
  optional sind oder weggelassen werden können, falls das Messsignal früher ermittelt wurde, so dass es fertig verfügbar ist.
11. Die Vorrichtung gemäß Punkt 10, zudem aufweisend
- - einen D/A-Wandler, wobei der D/A-Wandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist,
- - einen A/D-Wandler, wobei der A/D-Wandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist,
- - einen computerlesbaren Speicher zum Speichern des Messsignals.
12. Die Vorrichtung gemäß Punkt 10 oder Punkt 11, zudem aufweisend eine Auswahleinheit zum Auswählen eines Abschnitts des empfangenen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals, wobei die Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des Antwortsignals ausgebildet ist, um das invertierte Signal zu erhalten.
13. Die Vorrichtung gemäß einem der Punkte 10 bis 12, wobei die Vorrichtung aufweist:
- - einen Messsignalgenerator, wobei der Messsignalgenerator mit dem ersten Anschluss oder mit dem zweiten Anschluss verbindbar ist,
- - ein Sendemittel zum Senden des Messsignals an den ersten Anschluss,
- - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals des Messsignals von dem zweiten Anschluss,
- - eine zweite Verarbeitungseinheit zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit aus dem empfangenen Antwortsignal.
14. Die Vorrichtung gemäß einem der Punkte 10 bis 13, wobei die Vorrichtung aufweist:
- einen direkten digitalen Signalsynthesizer, wobei der direkte digitale Signalsynthesizer den ADC aufweist,
- ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator,
- einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter, wobei der ADC über den Rekonstruktionstiefpassfilter mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbindbar ist.
15. Die Vorrichtung gemäß einem der Punkte 10 bis 14, wobei die Vorrichtung aufweist:
- - einen ersten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist,
- - einen zweiten Ultraschallwandler, wobei der zweite Ultraschallwandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
16. Die Vorrichtung gemäß einem der Punkte 10 bis 15, aufweisend einen Abschnitt eines Rohrs, wobei der erste Ultraschallwandler an dem Rohrabschnitt an einer ersten Stelle angebracht ist, und der zweite Ultraschallwandler an dem Rohrabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht ist.
17. Ein computerlesbarer Programmcode, der computerlesbare Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der Punkte 1 bis 9 aufweist.
18. Ein computerlesbarer Speicher, wobei der computerlesbare Speicher den computerlesbaren Programmcode von Punkt 17 aufweist.
19. Eine anwendungsspezifische elektronische Komponente, die betreibbar ist zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der Punkte 1 bis 9.
20. Ein Verfahren zum Bestimmen, ob eine Testvorrichtung eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß einem der Punkte 1 bis 5 misst, aufweisend:
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt,
- - Anlegen eines Testimpulssignals an einen ersten Ultraschallwandler der Testvorrichtung, wobei der erste Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer ersten Stelle angebracht ist,
- - Empfangen eines Testantwortsignals des Testimpulssignals an einem zweiten Ultraschallwandler der Testvorrichtung, wobei der zweite Ultraschallwandler an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle angebracht ist,
- - Ableiten eines Testmesssignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Testmesssignals ein Zeit-Umkehren des Signals umfasst,
- - Vergleichen des Testmesssignals mit einem Messsignal, das an dem anderen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers ausgesendet wird,
wobei die Testvorrichtung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung gemäß einem der Punkte 1 bis 5 verwendet, falls das Testmesssignal und das Messsignal ähnlich sind.
21. Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend
- - einen ersten Anschluss für ein erstes Ultraschallelement,
- - einen zweiten Anschluss für ein zweites Ultraschallelement,
- - eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss,
- - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss,
- - eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten,
- - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal und Speichern des Messsignals in dem computerlesbaren Speicher,
wobei die Vorrichtung verwendet wird zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung durch:
- - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt,
- - Anlegen eines Messsignals an eines des ersten und des zweiten Ultraschallelements,
- - Messen eines ersten Antwortsignals des Messsignals an dem anderen des ersten und des zweiten Ultraschallelements,
- - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem ersten Antwortsignal, wobei bei einem Anlegen eines Testimpulssignals an ein erstes Ultraschallelement der Testvorrichtung,
- - einem Empfangen eines Testantwortsignals des Testimpulssignals an einem zweiten Ultraschallelement der Testvorrichtung, wobei das zweite Ultraschallelement an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle angebracht ist,
- - einem Ableiten eines Testmesssignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Testmesssignals ein Zeit-Umkehren des Signals umfasst,
- - das Testmesssignal und ein Messsignal, das an dem ersten oder dem zweiten Ultraschallelement ausgesendet wird, ähnlich sind.

Bezugszeichenliste

10: Durchflussmesseranordnung
11: stromaufwärtiges piezoelektrisches Element
12: Rohr
13: stromabwärtiges piezoelektrisches Element
14: Richtung einer mittleren Strömung
15: erste Recheneinheit
16: zweite Recheneinheit
17: Signalpfad
20: Signalpfad
22: piezoelektrisches Element
23: piezoelektrisches Element
31 - 52: piezoelektrische Elemente
60, 60': Durchflussmessvorrichtung
61: erster Anschluss
62: zweiter Anschluss
63: Multiplexer
64: DAC
65: ADC
66: Demultiplexer
67: Signalauswahleinheit
68: Signalinvertierungseinheit
69: Bandpassfilter
70: Speicher
71: Geschwindigkeitsberechnungseinheit
72: Impulssignalgenerator
73: Messsignalgenerator
74: Befehlsleitung
75: Befehlsleitung
76: DDS
77: Referenzoszillator
78: Frequenzsteuerungsregister
79: numerisch gesteuerter Oszillator
80: Tiefpassfilter

Claims

Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend - einen ersten Anschluss für ein erstes Ultraschallelement, - einen zweiten Anschluss für ein zweites Ultraschallelement, - eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss, - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss, - eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten, - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal und Speichern des Messsignals.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, zudem aufweisend - einen D/A-Wandler, wobei der D/A-Wandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist, - einen A/D-Wandler, wobei der A/D-Wandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, - einen computerlesbaren Speicher zum Speichern des Messsignals.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, zudem aufweisend eine Auswahleinheit zum Auswählen eines Abschnitts des empfangenen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals, wobei die Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des Antwortsignals ausgebildet ist, um das invertierte Signal zu erhalten.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung aufweist: - einen Messsignalgenerator, wobei der Messsignalgenerator mit dem ersten Anschluss oder mit dem zweiten Anschluss verbindbar ist, - ein Sendemittel zum Senden des Messsignals an den ersten Anschluss, - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals des Messsignals von dem zweiten Anschluss, - eine zweite Verarbeitungseinheit zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit aus dem empfangenen Antwortsignal.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung aufweist: einen direkten digitalen Signalsynthesizer, wobei der direkte digitale Signalsynthesizer den ADC aufweist, ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator, einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter, wobei der ADC über den Rekonstruktionstiefpassfilter mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbindbar ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung aufweist: - einen ersten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist, - einen zweiten Ultraschallwandler, wobei der zweite Ultraschallwandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, aufweisend einen Abschnitt eines Rohrs, wobei der erste Ultraschallwandler an dem Rohrabschnitt an einer ersten Stelle angebracht ist, und der zweite Ultraschallwandler an dem Rohrabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht ist.
Ein computerlesbarer Programmcode, der computerlesbare Anweisungen zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung aufweist, wobei das Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit aufweist: - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt, - Anlegen eines vorbestimmten Messsignals an einen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers, wobei das Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals aufweist und, - Messen eines ersten Antwortsignals des Messsignals an dem anderen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers, - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem ersten Antwortsignal.
Ein computerlesbarer Speicher, wobei der computerlesbare Speicher den computerlesbaren Programmcode von Anspruch 8 aufweist.
Eine anwendungsspezifische elektronische Komponente, die betreibbar ist zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung, wobei das Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit aufweist: - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine vorbestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt, - Anlegen eines vorbestimmten Messsignals an einen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers, wobei das Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals aufweist und, - Messen eines ersten Antwortsignals des Messsignals an dem anderen des ersten und des zweiten Ultraschallwandlers, - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem ersten Antwortsignal.
Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend - einen ersten Anschluss für ein erstes Ultraschallelement, - einen zweiten Anschluss für ein zweites Ultraschallelement, - eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss, - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss, - eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten, - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal und Speichern des Messsignals in dem computerlesbaren Speicher, wobei die Vorrichtung verwendet wird zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einer Fluidleitung durch: - Bereitstellen der Fluidleitung mit einem Fluid, das eine Geschwindigkeit in Bezug auf die Fluidleitung besitzt, - Anlegen eines Messsignals an eines des ersten und des zweiten Ultraschallelements, - Messen eines ersten Antwortsignals des Messsignals an dem anderen des ersten und des zweiten Ultraschallelements, - Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem ersten Antwortsignal, wobei bei einem Anlegen eines Testimpulssignals an ein erstes Ultraschallelement der Testvorrichtung, - einem Empfangen eines Testantwortsignals des Testimpulssignals an einem zweiten Ultraschallelement der Testvorrichtung, wobei das zweite Ultraschallelement an der Fluidleitung an einer zweiten Stelle angebracht ist, - einem Ableiten eines Testmesssignals aus dem Antwortsignal, wobei das Ableiten des Testmesssignals ein Zeit-Umkehren des Signals umfasst, - das Testmesssignal und ein Messsignal, das an dem ersten oder dem zweiten Ultraschallelement ausgesendet wird, ähnlich sind.
Eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser, aufweisend - einen ersten Anschluss für ein erstes Ultraschallelement, - einen zweiten Anschluss für ein zweites Ultraschallelement, - einen Messsignalgenerator zum Erzeugen eines Messsignals, wobei das Messsignal einen zeitumgekehrten Signalabschnitt eines Antwortsignals eines Impulssignals oder eines davon abgeleiteten Signals aufweist, wobei der Messsignalgenerator mit dem ersten Anschluss oder mit dem zweiten Anschluss verbindbar ist, - ein Sendemittel zum Senden des Messsignals an den ersten Anschluss, - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals des Messsignals von dem zweiten Anschluss, - eine zweite Verarbeitungseinheit zum Ableiten einer Strömungsgeschwindigkeit aus dem empfangenen Antwortsignal.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, zudem aufweisend - einen D/A-Wandler, wobei der D/A-Wandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist, - einen A/D-Wandler, wobei der A/D-Wandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, - einen computerlesbaren Speicher zum Speichern des Messsignals.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, zudem aufweisend eine Auswahleinheit zum Auswählen eines Abschnitts des empfangenen Antwortsignals oder eines davon abgeleiteten Signals, wobei die Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des ausgewählten Abschnitts des Antwortsignals ausgebildet ist, um das invertierte Signal zu erhalten.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Vorrichtung aufweist: - eine Sendeeinheit zum Senden eines Impulssignals an den ersten Anschluss, - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Impulssignal von dem zweiten Anschluss, - eine Invertierungseinheit zum Zeit-Invertieren des Antwortsignals, um ein invertiertes Signal zu erhalten, - eine Verarbeitungseinheit zum Ableiten eines Messsignals aus dem invertierten Signal und Speichern des Messsignals.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Vorrichtung aufweist: einen direkten digitalen Signalsynthesizer, wobei der direkte digitale Signalsynthesizer den ADC aufweist, ein Frequenzsteuerregister, einen Referenzoszillator, einen numerisch gesteuerten Oszillator und ein Rekonstruktionstiefpassfilter, wobei der ADC über den Rekonstruktionstiefpassfilter mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbindbar ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Vorrichtung aufweist: - einen ersten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler mit dem ersten Anschluss verbunden ist, - einen zweiten Ultraschallwandler, wobei der zweite Ultraschallwandler mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 12, aufweisend einen Abschnitt eines Rohrs, wobei der erste Ultraschallwandler an dem Rohrabschnitt an einer ersten Stelle angebracht ist und der zweite Ultraschallwandler an dem Rohrabschnitt an einer zweiten Stelle angebracht ist.